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芯片叠层封装工艺

[发布日期:2020-10-13 11:37:23] 点击:


 

  芯片叠层封装是把多个芯片在垂直方向上堆叠起来,利用传统的引线封装结构,然后再进行封装。芯片叠层封装是一种三维封装技术,叠层封装不但提高了封装密度,降低了封装成本,同时也提高了器件的运行速度,且可以实现器件的多功能化。随着叠层封装工艺技术的进步及成本的降低,多芯片封装的产品将更为广泛地应用于各个领域,覆盖尖端科技产品和应用广大的消费类产品。

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  1 引言

  现代便携式电子产品对微电子封装提出了更高的要求,其对更轻、更薄、更小、高可靠性、低功耗的不断追求推动微电子封装朝着密度更高的三维封装方式发展[1],芯片叠层封装(stacked die package)是一种得到广泛应用的三维封装技术,叠层封装不但提高了封装密度,降低了封装成本,同时也减小了芯片之间互连导线的长度,从而提高了器件的运行速度,而且通过叠层封装还可以实现器件的多功能化,芯片叠层封装就是把多个芯片在垂直方向上累叠起来,利用传统的引线封装结构,然后再进行封装。由于这种结构的特殊性,芯片和基板之间、芯片和芯片之间的粘接与互连是叠层封装的关键。现在普遍是以引线键合方式实现叠层封装的互连,为避免对现有工艺进行大的改动,叠层封装一般通过减薄芯片的厚度来保证总的封装厚度不变;但是芯片厚度的减少会造成芯片刚度降低,易发生变形,在热处理过程中芯片内应力集中点甚至会造成芯片的损坏。此外,由于塑封料厚度的减小,阻止水汽侵入芯片和塑封料界面的能力就会减弱,水汽的侵入会促使裂纹的产生和扩展。本文就叠层封装在实际生产过程中所遇到的问题及解决方案进行了详细的阐述。

  2 叠层芯片封装工艺流程

  为了更好地解决生产工艺过程中出现的问题,必须对叠层封装工艺整体工艺流程有着充分的了解,叠层芯片封装工艺流程如下:晶圆研磨/减薄(grinding)→晶圆贴膜(wafer mounting)→晶圆切割/划片(wafer dicing)→粘片/贴片(die bonding)→打线/键合(wire bonding)(根 据 具 体 堆 叠 方 式 的 需 要 确 定 ) → 芯 片 堆 叠(chips stacking)→打线/键合(wirebonding)→目视检测(vision inspection)→塑封(molding)→电镀(plating)→打标(marking)→切筋成形(trim&form)。

  从上述整体工艺流程看,为了达到叠层贴片、键合的高精度要求,其对减薄的厚度和翘曲度、划片的边缘齐整度等都有较为严格的要求。

  3 叠层晶圆的减薄、划片

  常规的MOS集成电路一般都是表面型器件,功耗小,无需考虑散热问题,所以对芯片厚度要求不高。芯片厚度一般为300μm~400μm左右,然而叠层封装芯片厚度一般为200μm以下,这就必须考虑减薄后晶圆的翘曲以及划片崩裂等问题。

  如果采用普通减薄工艺,完工厚度是200μm,Φ200mm的晶圆翘曲度可达1500μm以上,如图1(a)。由于其脆性较强,在交接运转过程中易受振动或外力的损伤,影响成品率,并且因背面加工的粗糙度偏高,高低不平纹路,造成应力集中,在后续工艺划片、贴片时易产生隐形的裂纹,其结果会影响产品的可靠性。为适应芯片叠层封装工艺要求,后段细磨改用直径更小的金刚砂颗粒使其粗糙度小于0.2μm,从而使背面损伤层小于2μm左右。虽然采用此工艺可以去除粗磨阶段形成的大部分损伤层,减小表面的粗糙度,达到较好的镜面效果,但细磨本身也会造成一定的损伤。利用此工艺加工的Φ200mm晶圆,如果完工厚度是200μm,翘曲度可达到180μm左右,如图1(b)。

  切割厚度在230μm以上的晶圆,由于划片刀的自修正,即金刚砂颗粒不断被磨损、剥落和更新,崩片问题能及时得到修正。然而,切割厚度在230μm以下时,由于晶圆很薄、很脆,背崩就可能延伸到晶圆正面,发生崩裂,所以在加工较薄晶圆时,必须解决崩裂问题。

  划片刀选用金刚砂颗粒较小、中等强度结合剂和中等金刚砂密度的,由于较小的颗粒容易在切割时从刀片上剥落,保持刀片的锋利并且切割较浅,冷却效果好,所以不会发生过载现象,使得划片槽边缘齐整度较好。

  4 叠层芯片贴装

  芯片叠层封装是将两个以上芯片封装在一个塑封体内,它是将第一个芯片贴装在引线框的底座上,然后第二个芯片贴装在第一个芯片的上面,第三个芯片贴装在第二个芯片上,如此堆叠下去(如图2)。在内引线连接时有芯片到芯片的引线连接,也有芯片到内引线的连接,因此对贴片精度提出了较高的要求。

  在粘片工艺中点胶一般是采用滴胶方式,但这种滴胶方式不能保证芯片的平整度,而改用写胶的方式,它不仅可以保证芯片和胶在接触过程中,芯片在胶上尽量少的漂移,从而确保贴片位置的精度,而且也能较好地满足芯片的平整度的要求。第一层芯片直接和引线框小岛接触,采用普通的工艺即可,用导电胶来粘接,芯片与芯片之间的粘接最好采用绝缘胶。

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  5 芯片叠层封装气泡处理

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