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半導(dǎo)體后端工藝|第九篇:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用

發(fā)布時間:2024-08-02 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】可靠性和穩(wěn)定性是保障半導(dǎo)體產(chǎn)品順暢運行的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體器件的封裝必須注意避免受到物理、化學(xué)和熱損傷。因此,封裝材料必須具備一定的質(zhì)量要求。隨著業(yè)界對半導(dǎo)體產(chǎn)品運行速度的要求不斷提高,封裝材料需要具備更優(yōu)異的電氣性能,比如具備低介電常數(shù)(Permittivity)1和介電損耗(Dielectric Loss)2的基板等。


可靠性和穩(wěn)定性是保障半導(dǎo)體產(chǎn)品順暢運行的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體器件的封裝必須注意避免受到物理、化學(xué)和熱損傷。因此,封裝材料必須具備一定的質(zhì)量要求。隨著業(yè)界對半導(dǎo)體產(chǎn)品運行速度的要求不斷提高,封裝材料需要具備更優(yōu)異的電氣性能,比如具備低介電常數(shù)(Permittivity)1和介電損耗(Dielectric Loss)2的基板等。半導(dǎo)體存儲器以及CPU和GPU等邏輯芯片使用的材料還需具備良好的導(dǎo)熱性能,以便能夠高效散熱。顯而易見,確保封裝材料的先進(jìn)性以滿足行業(yè)需求是非常重要的。在接下來的兩篇文章中,我們將探討兩種主要封裝方法所用材料的特性。在本篇文章中,我們將介紹傳統(tǒng)封裝方法所使用的材料。



1介電常數(shù)(Permittivity):指材料對外部電場的敏感度,或當(dāng)電場施加到絕緣體上時,內(nèi)部電荷的反應(yīng)程度。

2介電損耗(Dielectric Loss):電介質(zhì)在交變電場中的電能轉(zhuǎn)換。



封裝原材料及輔助材料


封裝材料大致可分為原材料和輔助材料。原材料是構(gòu)成封裝本身的一部分,直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。而輔助材料則不屬于產(chǎn)品的本身構(gòu)成部分,它們僅在封裝過程中使用,隨后將被移除。


半導(dǎo)體后端工藝|第九篇:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用


圖1: 傳統(tǒng)封裝工藝中不同階段使用的材料(? HANOL出版社)




圖1展示了典型傳統(tǒng)封裝工藝中使用的各類材料。在傳統(tǒng)封裝工藝中,作為原材料使用的有機(jī)復(fù)合材料包括六種:粘合劑(Adhesive)、基板(Substrate)、環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)、引線框架(Leadframe)、引線和錫球(Solder Ball),其中后三種材料為金屬材料;輔助材料包括膠帶和助焊劑(Flux)3等。接下來,我們將詳細(xì)介紹這些尺寸較小但卻不可或缺的材料,并探討這些材料在傳統(tǒng)封裝工藝中的關(guān)鍵作用。


3助焊劑(Flux):一種有助錫球附著在銅表面的水溶性和油溶性溶劑。



引線框架用于內(nèi)部電氣連接的金屬合金



引線框架用于實現(xiàn)封裝內(nèi)部芯片與封裝外部印刷電路板(PCB)的電氣連接。通常,引線框架使用的金屬板由42號合金(Alloy 42)4或銅合金制成。在制作引線框架時,通常會采用刻蝕(Etching)和沖壓(Stamping)兩種工藝。使用刻蝕工藝制作引線框架時,首先要在金屬板上沿引線框架的圖案涂覆一層光刻膠(Photoresist),將其暴露在刻蝕劑(Etchant)5中,以便去除光刻膠未覆蓋的區(qū)域,這種方法通常適用于需要制作精細(xì)引線框架圖案的情況。使用沖壓工藝制作引線框架時,則需要在高速沖壓機(jī)上安裝級進(jìn)模(Progressive die)6。




442號合金(Alloy 42):一種鐵基合金,其熱膨脹系數(shù)與硅相似。

5刻蝕劑(Etchant):指在刻蝕過程中使用的化學(xué)溶液和氣體等具有腐蝕性的物質(zhì)的總稱。

6級進(jìn)模(Progressive die):一種模具技術(shù),能夠?qū)⒍嗟拦ば驂嚎s為一個連續(xù)工序。


基板制作基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件所使用的銅、玻璃纖維等材料

半導(dǎo)體后端工藝|第九篇:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用


圖2: 經(jīng)過封裝工藝處理的基板側(cè)視圖(? HANOL出版社)




與引線框架類似,基板也用于實現(xiàn)封裝內(nèi)部芯片與封裝外部印刷電路板之間的電氣連接。在球柵陣列封裝(BGA)中,基板是半導(dǎo)體芯片的一個重要組成部分,該封裝使用錫球來代替引線框架。圖2顯示的是經(jīng)過封裝工藝處理的基板結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。其中,錫球附著于基板底部,而引線與基板頂部連接?;逯行奈恢糜擅麨椤靶景澹–ore)”的材料構(gòu)成,這種材料通過將銅箔與浸漬(Impregnation)7過耐高溫雙馬來酰亞胺三嗪(BT)8樹脂的玻璃纖維粘合在一起制成。金屬引線在銅箔表面形成,之后在銅箔上涂覆阻焊劑,露出作為保護(hù)層的金屬焊盤。


7浸漬(Impregnation):一種填充澆鑄過程中形成空隙的工藝,旨在降低電鍍過程中涂層失效的可能性。

8雙馬來酰亞胺三嗪(BT):一種用于制造印刷電路板、由耐高溫雙馬來酰亞胺和三嗪反應(yīng)制成的合成樹脂。



粘合劑用于粘合關(guān)鍵部件的環(huán)氧基聚合物


粘合劑有粘稠狀的液體形式,也有薄膜等固體形式。粘合劑主要由熱固性環(huán)氧基聚合物制成,用于將芯片粘接到引線框架或基板上,還可以在芯片堆疊過程中將多個芯片粘接在一起。粘合劑要想在測試過程中表現(xiàn)出較高的可靠性,必須具備高粘合力、低吸濕性、良好的機(jī)械性能和低離子雜質(zhì)含量等特質(zhì)。除此之外,為了確保工藝質(zhì)量,在高溫高壓粘合過程中,粘合劑必須表現(xiàn)出出色的流動性以及能夠有效粘合界面的潤濕性。為了實現(xiàn)高強(qiáng)度的界面粘合力,還需要有效地抑制空隙(Voids)9的形成。這就需要優(yōu)化其流變特性,如粘度、觸變性(Thixotropy)10和硬化特性,以及芯片與引線框架或基板表面之間的強(qiáng)粘合力。


9空隙(Voids):材料內(nèi)部形成的空洞或氣孔,是在材料制造或熱處理過程中出現(xiàn)的一種缺陷。

10觸變性(Thixotropy):液體物質(zhì)的一種受到剪切力作用后粘度改變的特性。在受到剪切力作用,如攪拌等,液體物質(zhì)粘度降低;在未受到剪切力作用時,液體物質(zhì)粘度增加。


液體粘合劑包括環(huán)氧樹脂粘合劑和硅膠粘合劑。固體粘合劑包括用于引線框架的芯片上引線(LOC)膠帶、在堆疊相同尺寸芯片時用于隔離各個芯片的間隔膠帶、以及用于芯片堆疊或?qū)⑿酒B接到基板的晶片黏結(jié)薄膜(DAF)。晶片黏結(jié)薄膜可以用于晶圓背面,因此也被稱為晶圓背面迭片覆膜(WBL)。



環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)具有保護(hù)和散熱作用的熱固性聚合物



環(huán)氧樹脂模塑料是半導(dǎo)體封裝過程中使用的一種膠囊封裝材料(Encapsulant)11,由無機(jī)硅石和熱固性環(huán)氧聚合物復(fù)合而成,受熱后可形成三維粘合結(jié)構(gòu)。由于包覆在芯片外部,因此環(huán)氧樹脂模塑料必須具備保護(hù)芯片免受外部物理和化學(xué)損傷,并且能夠有效散發(fā)芯片運行時產(chǎn)生的熱量的功能。此外,環(huán)氧樹脂模塑料還須具備易于模塑的特性,以滿足不同封裝形狀的需求。同時,由于需要與基板和芯片等其他封裝材料連接,因此環(huán)氧樹脂模塑料必須達(dá)到能夠與這些材料緊密粘合的效果,以確保封裝的可靠性。


11膠囊封裝材料(Encapsulant):由熱固性聚合物組成,可形成三維結(jié)構(gòu),并在外部加熱作用下硬化。其作用是保護(hù)內(nèi)部器件免受高溫、潮濕和撞擊的影響。


半導(dǎo)體后端工藝|第九篇:探索不同材料在傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝中的作用


圖3: 不同類型的環(huán)氧樹脂模塑料




圖3展示了不同類型的環(huán)氧樹脂模塑料及其相應(yīng)的工藝。片狀環(huán)氧樹脂模塑料主要用于傳遞模塑法,粉狀環(huán)氧樹脂模塑料通常用于壓縮模塑或大尺寸晶圓模塑法。而液狀環(huán)氧樹脂模塑料則被用于模塑一些難以模制的晶圓。近年來,薄膜型環(huán)氧樹脂模塑料在扇出型晶圓級芯片封裝(WLCSP)和大尺寸面板級封裝(PLP)中得到廣泛應(yīng)用。此外,還有用于模塑底部填充(MUF)的環(huán)氧樹脂模塑料,模塑底部填充是指在倒片封裝過程中同時進(jìn)行底部填充與模塑的工藝。



焊錫從錫到無鉛合金,用于機(jī)械和電氣連接



焊錫是一種熔點較低的金屬,這種特性使其廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的電氣和機(jī)械連接。在半導(dǎo)體封裝中,焊錫被用于連接封裝和印刷電路板;在倒片封裝中,焊錫被用于連接芯片和基板。在連接封裝和印刷電路板時,通常采用錫球的形式,尺寸從30微米到760微米不等。如今,隨著電氣性能的不斷提升,連接封裝和印刷電路板之間所需的引腳數(shù)量也在增加,這也間接導(dǎo)致了錫球尺寸被要求不斷縮小。

制作錫球時需要保證其合金成分的均勻性,否則會對跌落沖擊或溫度循環(huán)測試的可靠性造成影響。同時,錫球還必須具有良好的抗氧化性,因為在原材料制備過程中或回流焊過程中,氧化物的過度堆積可能導(dǎo)致錫球出現(xiàn)粘合效果不佳或脫落的問題,也就是所謂的“不沾錫(Non-wetting)”問題,因此,在焊接過程中需要使用助焊劑來清除其表面的氧化膜聚集,在回流焊過程中則需要使用氮氣來形成惰性氣氛,以避免此類問題的產(chǎn)生。除此之外,焊接過程中還需要避免出現(xiàn)空隙,否則可能導(dǎo)致焊錫量不足,降低焊點可靠性。錫球的尺寸也至關(guān)重要,大小均勻的錫球有助于提高工藝效率。最后,錫球表面必須潔凈無污染,以防止枝蔓晶體(Dendrite)12生長,上述這些現(xiàn)象都會增加故障率,降低焊點可靠性。


12枝蔓晶體(Dendrite):一種具有樹枝狀形態(tài)的晶體,是自然界中常見的一種分形現(xiàn)象。


此前,錫球通常由錫合金(鉛錫合金)制成,因具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性。然而在被發(fā)現(xiàn)鉛對人體健康具有潛在危害后,鉛的使用開始受到歐盟RoHS指令13等環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格監(jiān)管,因此目前主要采用鉛含量不超過百萬分之700ppm或更低含量的無鉛焊錫。


13RoHS指令:歐盟出臺的《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》(RoHS),旨在通過使用更安全的替代品,來替換電子電氣設(shè)備中的有害物質(zhì),以保護(hù)環(huán)境和人類健康。



膠帶用于永久和臨時鍵合的壓敏膠(PSA)



本節(jié)將重點介紹兩種類型的膠帶。第一種是用于將固體表面與同質(zhì)或異質(zhì)表面進(jìn)行永久粘合的膠帶。另一種是臨時粘合膠帶,如切割膠帶(Dicing tape)和背面研磨保護(hù)膠帶(Back grinding tape),它們可以通過內(nèi)聚力和彈性來實現(xiàn)粘合或清除作用,這些膠帶所使用的材料被稱為壓敏膠。


背面研磨保護(hù)膠帶貼在晶圓正面,作用是在背面研磨過程中保護(hù)晶圓上的器件。在背面研磨過程結(jié)束后,須將這些膠帶清除,以避免在晶圓表面留下粘合劑殘留物。


切割膠帶也被稱為承載薄膜(Mounting tape),用于將晶圓穩(wěn)固地固定在貼片環(huán)架上,以確保在晶圓切割過程中晶圓上的芯片不會脫落,因此,晶圓切割過程中使用的切割膠帶必須具備良好的粘合力,也必須易于脫粘。由于壓敏膠會對紫外線產(chǎn)生反應(yīng),因此在移除芯片之前,需要通過紫外線照射來處理切割膠帶,這樣可以減弱粘合力,便于移除芯片。過去,晶圓在經(jīng)過背面研磨后會直接貼附在切割膠帶上;然而,隨著晶圓背面迭片覆膜作為芯片粘合劑的廣泛使用,如今,晶圓在經(jīng)過背面研磨后,會貼附在晶圓背面迭片覆膜和切割膠帶相結(jié)合處的膠帶上。



引線從金絲到銅絲,用于電氣芯片連接


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圖4: 金(Au)絲




在芯片的電氣連接中,用于連接芯片與基板、芯片與引線框架、或芯片與芯片的連接引線,通常由高純度金制成。金具有出色的延展性,既可以加工成極薄的片材,又可以拉伸成細(xì)線,這些特性都非常有助于布線過程的開展。此外,金具有良好的抗氧化性,因此相應(yīng)可靠性也得到提升,同時卓越的導(dǎo)電性能又賦予其良好的電氣特性。然而,由于金價較高,制造成本也相對較高,因此在布線過程中有時會使用較細(xì)的金絲,一旦拉伸過度便容易發(fā)生斷裂,這也限制了金絲的使用。為了解決這一問題,人們開始將銀等其他金屬與金混合制成合金,同時也會使用鍍金銀、銅、鍍鈀銅、鍍金鈀銅等金屬材料。


目前,銅絲正在逐漸替代金絲,這是因為銅的可鍛性和延展性僅略遜于金絲,同樣具備良好的導(dǎo)電性能,但卻具備明顯的成本優(yōu)勢。然而,由于銅易氧化,銅絲可能會在布線過程中或之后被氧化,所以與金絲布線不同的是,銅絲布線的設(shè)備采用密封模式且內(nèi)部充滿氮氣,以防止暴露在空氣中的銅絲被氧化。



包裝材料裝運過程中的卷帶包裝


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圖5: 卷帶包裝(上圖)和托盤包裝(下圖)




封裝和測試完成后,半導(dǎo)體產(chǎn)品會被運送給客戶。半導(dǎo)體產(chǎn)品包裝通常采用卷帶(T&R)包裝和托盤(Tray)包裝兩種形式。卷帶包裝是指將產(chǎn)品封裝放在帶有“口袋”的膠帶上,“口袋”的尺寸需與產(chǎn)品封裝尺寸一致,具體操作是將膠帶卷起形成一個卷軸,再將卷軸打包并發(fā)送給客戶。托盤包裝指將產(chǎn)品封裝放入一個專用托盤,然后將多個托盤堆疊起來,打包裝運。



晶圓級封裝材料的展望


在詳細(xì)介紹傳統(tǒng)封裝中各個工藝流程所使用的材料后,我們將在下一篇文章中重點探討晶圓級封裝所使用的材料。除了介紹這些材料的組成成分外,還將探索這些材料在確保半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量和耐用性方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

文章來源:SK海力士


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