半导体封装工艺技术的探讨

半导体封装工艺技术的探讨

张育赫

中国电子科技集团公司第四十七研究所辽宁省沈阳市 110000

摘要：本文对半导体封装工艺技术和封装过程进行了介绍，并且探讨了半导体封装工艺。

关键词：半导体；封装工艺；技术

1 封装的分类

当前半导体的封装有很多的种类，不同的封装方式所采用的封装材料、封装设备和封装技术有很大的区别，这也使其具有一定的特点。根据不同的封装特点，可以将封装分为以下几类：按照封装材料进行划分，半导体的封装可以采用金属、陶瓷、金属-陶瓷和塑料等材料，基于封装材料可以分为金属封装、陶瓷封装、金属一陶瓷封装和塑料封装；其次，按照封装的气密性，可以将封装分为气密性封装和树脂封装等两大类；这两种封装方式的主要作用都是将晶体和外部环境隔绝开来，包括温湿度和空气等，从而达到电气绝缘的目的，同时起到向外散热以及缓和应力等作用，从而起到保护的作用；按照封装的外形、尺寸和结构进行分类，可以将其分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装等三大类，不同的封装工艺各自具有独自的特点，技术工艺也各有不同。

2 封装过程及工艺说明

2.1 封装过程简述

晶圆前道工艺的晶圆通过芯片切割以后，会被切割成为比较小的晶片，然后对其进行贴装，将其贴装到相应的基板引线框架之上，然后通过银胶以及焊锡等助焊剂粘贴好，然后采用超细的金、铜、铝等超细金属导线以及导电性树脂等将晶片的接合焊盘连接到基板的相应引脚，这就是焊接键合工艺；采用塑料外壳对独立的晶片进行封装，从而对其进行保护，最后进行树脂固化、切筋成型、电镀和测试等步骤。在完成最后的步骤之后，对于测试合格的产品进行打标和包装，最后入库出货。

2.2 封装工艺过程简述

半导体的封装工艺主要包括芯片切割、贴片、焊接键合、塑封、后固化、电镀、切筋和成型、测试、打标和包装等工艺，下面对这几方面工艺进行详细的说明：

（1）芯片切割工艺。这种工艺是通过使用切割机将晶圆上连接在仪器的芯片进行切割，分离开来，具体的操作步骤主要有贴膜、切割和清洗等。其中，贴膜是指通过应用蓝色和白色的膜来把晶圆固定到绷环上，这一步骤是为下一步切割做准备的，在这道工序中，固定蓝膜时需要动力，也需要为承载台吸附晶圆提供吸力，通常采用5MPa的压缩空气来作为推动力，承载台的吸附力则由真空来提供，承载台的温度通常控制在45℃，这样能够使蓝膜、白膜、晶圆以及绷环等进行更好的粘贴。在晶圆完成贴膜后进行芯片的切割，在该工序过程中，通常需要真空来为承载台提供吸附力，而主轴的悬浮动力则由5MPa的压缩空气来提供；此外防止切割过程中静电对芯片造成破坏，会采用加入二氧化碳的高纯水来对静电进行防护。

（2）贴片工艺。贴片工艺主要包括两大类，分别是热焊接和冷焊接。其中，热焊接是在锡银锑焊料来将芯片粘贴到框架之上，在这个过程中会通入氮氢混合气体进行保护，通过这一工艺可以使芯片在工作过程中有比较好的散热效果；和热焊接不同的是，冷焊接过程并不需要通入保护气，不过在焊接完成之后，需要采取固化烘干的措施。粘片及进料和出料缸的动力是由压缩空气提供的，通过通入1:10的氮氢混合气体来对框架进行保护；通入1：5的氮氢混合气体对框架进行还原。贴片的工序主要有以下步骤：加热、不加热，点锡、胶，压模，贴片四部分组成。其中，加热过程由长距离的轨道在传送时完成，加热的温度通常控制在380℃上下，对于不同的产品，加热的温度会有应的差别；点锡是指在高温的框架上将定量的焊锡熔在框架设定的位置上；压膜工艺的目的是在进行贴片之前面，将熔融状态下的焊锡进行整形，通过这样的方式有效地提高贴片后锡层厚度，从而控制好芯片的倾斜度，使其具有比较好的散热性能；点胶工艺在不加热的轨道上完成。贴片是将蓝膜上好的芯片通过图像识别，用邦头吸取并贴在框架熔有焊锡、银胶的位置上，使芯片与框架通过焊锡、银胶焊接起来。

（3）焊接键合工艺在封装工艺中是非常重要的工艺。焊接键合工艺主要采用超声压焊技术，通常会采用铝线、金线或者是铜线等来将芯片和引线管脚进行连接。超声压焊技术的原理如下：超声机械能可以利用劈刀来让焊线以及焊接面发生摩擦，通过这样的方式来清除掉焊接表面的氧化层，同时让其出现塑性形变，并互相扩散，通过这样的方式来实现分子键合，进而时间焊线和焊接面的焊接工作。焊接键合工作的能否成功受到多种因素影响，主要包括功率、时间、压力和温度等参数，如果功率过大的话，可能会造成芯片出现弹坑，而过小的话则会导致存在虚焊；压力过大会导致芯片被压碎，过小的化也会导致虚焊的问题；如果时间较长则会出现过焊的情况，使焊点两侧烧灼色，过小也会造成虚焊的问题；因此为了提高焊接键合的成功率，在焊接键合过程中要根据芯片表面的铝层，焊接的线径等制定出合理的参数，确保能够实现良好的焊接，同时不对芯片造成损坏。

（4）塑封工艺。在完成键合供以后，采用塑料材料来对芯片进行包装封闭，从而对芯片进行保护，并且隔热。塑封工艺主要按照以下流程来进行：第一步是排片，将键合好的芯片用排片机从料盒转移到预热台上；第二步是上料，通过上料架将完成预热的整模框架转移到塑料模具内；第三部是合模加压，具体步骤是通过包封机合并上下模具，从而使模具内形成型腔；第四步是对塑封料进行加热，通过高频预热机来使塑料软化；第五步是加料，将上一步软化好的塑封料，通过料筒添加到模具中；第六步注塑，通过塑封压机来完成注塑，将塑封料挤入到型腔中；第七步是将塑封料进行固化，固化的条件时是180℃，在90到150秒的时间内将塑封料转化为固态；第八步是下料，将固化好的整模框架取下来，然后在塑料体上将产品剥离出来。

（5）后固化工艺。这一工艺的作用是深度处理上一步工艺的塑封产品，让塑料粉可以更加充分的粘结在产品上，提高器件的性能：工艺流程如下：首先：打开烘箱，设置好加热温度和时间等参数；其次，待烘箱温度在设定值170℃并且稳定后，将产品及老化盒放入烘箱；最后，在后固化时间达到4小时以后，停止加热，取出产品。

（6）电镀工艺。在产品塑封完成之后，需要去除溢料，并且在表面镀锡。溢料工艺之前，需要通过软化剂将产品散热片及其它位置的溢料泡软，然后将软化剂清洗干净；清洗干净之后将框架逐条放在去溢料机的进料轨道槽内，通过高压水来清除框架上的溢料，然后在吹干槽内吹干，再在烘干槽内烘干，然后下料镀锡，镀锡完成之后将产品放入烘箱内，以175℃烘烤1小时，将镀锡产生的应力消除。

（7）切筋和成型工艺。这一工艺是对电镀完的产品进行分割成型，采用的设备的切筋切断设备。具体流程如下：第一步是上料，将合格的产品以正确的方向加入到料盒中，然后推入上料导轨；第二步是冲切操作，通过自动冲切系统来对轨道中的产品进行切割；然后完成产品的引脚成型，是指达到工艺的形状要求。

（8）测试工艺。通过测试机对产品进行测试，通过1、2、3 测试站对产品进行一次检测，筛选出合格的产品。

（9）打标工艺。应用激光打标机来对检测合格的产品刻蚀上标记。

（10）包装工艺。对完成测试和达标的产品，按照产品的质量进行包装。

结论

在芯片生产过程中，封装是重要的工艺，通过良好的封装可以对芯片进行保护，增加其导热性能，同时还可以沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用的功能。因此应加强封装工艺的研究，提高封装的效率和质量。

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