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IC制程

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IC芯片的製程

備註:本文以華碩F6S芯片之BGA技術為例

圖1:電腦之主機板

眾所周知,在現代眾多電子產品中IC芯片是必不可少的一環,它對于產品的重要性相當于大腦對於人的作用。在我們生活中,它無所不在,手機、照相機、計算器,還有二十世紀最偉大的發明—電腦。

電腦分為五大單元即輸入單元、記憶單元、控制單元、算數邏輯單元和輸出單元。它們的運行都有一個指揮官,它就是電腦的CPU,CPU可分為四大單元,即算數邏輯單元、控制單元、快去記憶體和暫存器。而晶片在CPU的應用中至關重要,那麼下面我們就來瞭解一下晶片的製成。

圖2 華碩F6S

圖3 晶片在CPU中的應用

晶片的製成分為下列八大部份,晶圓製成、晶圓切割、晶片粘結、聯線技術、封膠、剪切成型、印字還有檢測。

一、晶圓製成

圖4 拉晶技術

IC晶圓一般是由單晶矽製成的,因此想要得到晶圓,必須要先製造一個大型的單晶硅然後進行切割。這個大型的單晶矽的製造技術即為拉晶技術。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅具有准金属的物理性质,有较弱的导电性,其电导率随温度的升高而增加,有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素,如硼可提高其导电的程度,而形成p型硅半

导体;如掺入微量的ⅤA族元素,如磷或砷也可提高导电程度,形成n型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元

件。

之後便是晶片的功能設計,根據不同的功能需求程序會寫出不同的電路,之后利用鐳射等技術將微電路錄在晶圓上。

圖5 晶片程序錄入

二、晶圓切割

晶圓切割首先必須在晶圓背面貼上膠帶,并置於鋼製之框架上,完成晶圓黏片的動作,而後再送進晶圓切割機上進行切割。切割完後一顆顆晶粒便井然有序的排列在膠帶上,同時由於框架的支撐可避免膠帶折皺而使晶粒互相碰撞,而框架撐住膠帶以便於運輸。

圖6 晶圓黏膜

圖7 切割完成后的晶圓

三、晶片黏結

晶片黏結指將IC晶片固定于封裝基板或導線架中晶片座上并利用環氧樹脂

(銀膠)將之黏結的製程步驟,主要黏結法有共晶黏結法、玻璃膠黏結法、高分子黏結法、焊接黏結法等四種,其中陶瓷封裝以金-矽共晶黏結法最常被使用;塑膠封裝則以高分子黏著劑黏結法為主。

圖8 晶片黏結製程

四、聯線技術

IC晶片必須與封裝基板或導線架完成電路的聯接才能發揮電子通訊傳訊的功能。其中打線結合、倦怠自動結合與覆晶接合為電子封裝中主要的電路聯線方

法。在1995年以前打線接合一直是封裝中的最佳方式,約有95%的產品都使用此一接合,然而近年來隨著IC之I\O數不斷的增加,Flip Chip的使用有逐漸

打線接合是在完成IC晶片的黏結之後,以超音波接合、熱壓接合與熱超音波接合等三種等三種方法,將細金屬線或金屬帶打在IC晶片與導線架或封裝板的接墊上而形成電路聯接,而打線完成后的焊線外觀如上圖所示。

圖9 金線聯接

本文主要講解BGA即球腳陣列封裝(Ball Grid Array)技術,BGA

乃是使用基板和錫球來取代傳統的導線架,其提供許多在微細間距的優點,包含較佳的組裝、較優異的電子成型性即較高的I \O 密度。

球形觸點陣列,表面貼裝型封裝之一。在印刷基板的背面按陳列方式製作出球形凸點用以代替引腳,在印刷基板的正面裝配LSI 晶片,然後用模壓樹脂或灌封方法進行密封。也稱為凸點陳列載體(PAC)。引腳可超過200,是多引腳LSI 用的一種封裝。封裝本體也可做得比QFP

(四側引腳扁平封裝)圖10

BGA

小。例如,引腳中心距為1.5mm 的360 引腳BGA僅為31mm 見方;而引腳中心距為0.5mm 的304 引腳QFP 為40mm 見方。而且BGA 不用擔心QFP 那樣的引腳變形問題。該封裝是美國Motorola 公司開發的,首先在可擕式電話等設備中被採用,今後在美國有可能在個人電腦中普及。最初,BGA 的引腳(凸點)中心距為1.5mm,引腳數為225。現在也有一些LSI 廠家正在開發500 引腳的BGA。BGA 的問題是回流焊後的外觀檢查。現在尚不清楚是否有效的外觀檢查方法。有的認為,由於焊接的中心距較大,連接可以看作是穩定的,只能通過功能檢查來處理。美國Motorola 公司把用模壓樹脂密封的封裝稱為OMPAC,而把灌封方法密封的封裝稱為GPAC(見OMPAC和GPAC

五、封膠

圖11 封裝的整個流程圖

封膠製程最主要的目的乃是將晶片與外界隔絕,避免上面的金屬被破壞,即防止濕氣進入產生腐蝕,避免不必要的訊號破壞,并有效的將晶片產生的熱排出外界,及提供能夠手持之形體。其過程乃是將焊線完成之導線架或基板置放于框架上并進行預熱,然後將此框架放於壓模機內的封裝模上,待壓模機壓下封閉上下模穴后,此時將半融化的樹脂擠入模具中,待樹脂充填完成及硬化后,便可開模取出整排相連的成品,即完成封膠的製程。

圖12 所示即為封裝

製程的模具示意圖

圖13 封膠製程充填示意圖

而在封膠材料的選擇上,主要分為陶瓷材料、金屬材料與塑膠封裝材料三大類,各封裝材料的依其各具的熱傳導及電氣性質,改變其化學組成來調整其性質,并配合不同的製程技術,在電子封裝中搭配不同功能的IC元件做材料的選用,其中陶瓷材料封裝與金屬封裝可被歸於高可靠度的封裝。

由於本文以華碩F6S芯片之BGA技術為例,因此重點講述塑膠封裝。塑膠封裝的散熱性、耐熱性、密封性與可靠度雖遜於陶瓷封裝與金屬封裝,但它能提供小型化封裝、低成本、製程簡單、適合自動化生產等優點,而且隨著材料和製程的改善后,其可靠度也大幅提升,塑膠封裝也成為當今封裝技術的主流,它的應用從一般的消費性電子到超高速電腦中都隨處可見。

封裝材料的製程雖比陶瓷材料、金屬材料簡單,但從IC晶片的黏結到封裝完成的每一個製程步驟皆互有關聯,因此塑膠封裝的設計必須整合所有製程步驟與可能使用的材料對結構與可靠度的影響進行一整體的考量,此亦為塑膠封裝的特徵。

六、剪切,成型

封胶完成后之導線架須先將其上多餘的殘膠去除(Deflash ),并且經過電鍍,以增加外引腳之導電性及抗氧化性,而後再進行剪切、成型的工作。剪切之目的乃是要將整條導線架上已封裝好之封裝體獨立分開。同時,亦把多餘的連接用材料及部份突出之樹脂切除,故剪切完成後,每個獨立晶片的外形是一塊堅固的樹脂硬殼并由側面伸出許多外引腳;而成型的目的則是將這些外引腳壓成各種預先設計好之形狀,以便於爾後裝置在電路板上使用。

圖14 剪切、成型示意圖

七、印字

印字的目的,乃是爲了給予IC元件適當之辨認及提供可以追溯生產之記號(如商品之規格、製造者、商標、幾種、批號、週期···等)。良好的印字會給予人高尚產品的感覺,因此印字在IC封裝過程中亦是相當重要的。

而印字的方式主要有捺印式(像印章一樣直接印字在膠體上)、轉刻式(pad print,即使用轉印頭,從字模上沾印再印字在體上)及鐳射刻印式(laser mark)三種。

爲了要使印字清晰且脫落,IC膠體的清滌印刻的選用及印字的方式,就相當的重要。而在印字的過程中,自動化的印字方式有固定的程序來完成每項工作以確保印字的牢靠。

圖15 在塑膠外殼上印上商標

八、檢測

圖16 檢測示意圖

檢測之目的,乃是在確定經過封裝完畢之IC元件是否合于使用。檢測的方式繁多,包含外引腳之平整性、共面度、腳距、印字是否清晰、膠外觀是否有損傷、及其他功能與產品可靠度的檢測以確保產品的品質與製程的良率。良好的製程將會降低檢測的成本,而仔細的分析檢測結果則有助於找出不良品的原因,并進一步改善製程來提升良率。

IC封装制程

半導體的產品很多,應用的場合非常廣泛,圖一是常見的幾種半導體元件外型。半導體元件一般是以接腳形式或外型來劃分類別,圖一中不同類別的英文縮寫名稱原文為 PDID:Plastic Dual Inline Package SOP:Small Outline Package SOJ:Small Outline J-Lead Package PLCC:Plastic Leaded Chip Carrier QFP:Quad Flat Package PGA:Pin Grid Array BGA:Ball Grid Array 雖然半導體元件的外型種類很多,在電路板上常用的組裝方式有二種,一種是插入電路板的銲孔或腳座,如PDIP、PGA,另一種是貼附在電路板表面的銲墊上,如SOP、SOJ、PLCC、QFP、BGA。 從半導體元件的外觀,只看到從包覆的膠體或陶瓷中伸出的接腳,而半導體元件真正的的核心,是包覆在膠體或陶瓷內一片非常小的晶片,透過伸出的接腳與外部做資訊傳輸。圖二是一片EPROM元件,從上方的玻璃窗可看到內部的晶片,圖三是以顯微鏡將內部的晶片放大,可以看到晶片以多條銲線連接四周的接腳,這些接腳向外延伸並穿出膠體,成為晶片與外界通訊的道路。請注意圖三中有一條銲線從中斷裂,那是使用不當引發過電流而燒毀,致使晶片失去功能,這也是一般晶片遭到損毀而失效的原因之一。 圖四是常見的LED,也就是發光二極體,其內部也是一顆晶片,圖五是以顯微鏡正視LED的頂端,可從透明的膠體中隱約的看到一片方型的晶片及一條金色的銲線,若以LED二支接腳的極性來做分別,晶片是貼附在負極的腳上,經由銲線連接正極的腳。當LED通過正向電流時,晶片會發光而使LED發亮,如圖六所示。 半導體元件的製作分成兩段的製造程序,前一段是先製造元件的核心─晶片,稱為晶圓製造;後一段是將晶中片加以封裝成最後產品,稱為IC封裝製程,又可細分成晶圓切割、黏晶、銲線、封膠、印字、剪切成型等加工步驟,在本章節中將簡介這兩段的製造程序。

IC 封装制程简介-1

半导体的产品很多,应用的场合非常广泛,图一是常见的几种半导体组件外型。半导体组件一般是以接脚形式或外型来划分类别,图一中不同类别的英文缩写名称原文为 PDID:Plastic Dual Inline Package SOP:Small Outline Package SOJ:Small Outline J-Lead Package PLCC:Plastic Leaded Chip Carrier QFP:Quad Flat Package PGA:Pin Grid Array BGA:Ball Grid Array 虽然半导体组件的外型种类很多,在电路板上常用的组装方式有二种,一种是插入电路板的焊孔或脚座,如PDIP、PGA,另一种是贴附在电路板表面的焊垫上,如SOP、SOJ、PLCC、QFP、BGA。 从半导体组件的外观,只看到从包覆的胶体或陶瓷中伸出的接脚,而半导体组件真正的的核心,是包覆在胶体或陶瓷内一片非常小的芯片,透过伸出的接脚与外部做信息传输。图二是一片EPROM组件,从上方的玻璃窗可看到内部的芯片,图三是以显微镜将内部的芯片放大,可以看到芯片以多条焊线连接四周的接脚,这些接脚向外延伸并穿出胶体,成为芯片与外界通讯的道路。请注意图三中有一条焊线从中断裂,那是使用不当引发过电流而烧毁,致使芯片失去功能,这也是一般芯片遭到损毁而失效的原因之一。 图四是常见的LED,也就是发光二极管,其内部也是一颗芯片,图五是以显微镜正视LED的顶端,可从透明的胶体中隐约的看到一片方型的芯片及一条金色的焊线,若以LED二支接脚的极性来做分别,芯片是贴附在负极的脚上,经由焊线连接正极的脚。当LED通过正向电流时,芯片会发光而使LED发亮,如图六所示。 半导体组件的制作分成两段的制造程序,前一段是先制造组件的核心─芯片,称为晶圆制造;后一段是将晶中片加以封装成最后产品,称为IC封装制程,又可细分成晶圆切割、黏晶、焊线、封胶、印字、剪切成型等加工步骤,在本章节中将简介这两段的制造程序。

IC封装制程简介

半导体的产品很多应用的场合非常广泛图一是常见的几种半导体组件外型半导体组件一般是以接脚形式或外型来划分类别图一中不同类别的英文缩写名称原文为 PDID Plastic Dual Inline Package SOP Small Outline Package SOJ Small Outline J-Lead Package PLCC Plastic Leaded Chip Carrier QFP Quad Flat Package PGA Pin Grid Array BGA Ball Grid Array 虽然半导体组件的外型种类很多在电路板上常用的组装方式有二种一种是插入电路板的焊孔或脚座如PDIP PGA另一种是贴附在电路板表面的焊垫上如SOP SOJ PLCC QFP BGA 从半导体组件的外观只看到从包覆的胶体或陶瓷中伸出的接脚而半导体组件真正的的核心是包覆在胶体或陶瓷内一片非常小的芯片透过伸出的接脚与外部做信息传输图二是一片EPROM组件从上方的玻璃窗可看到内部的芯片图三是以显微镜将内部的芯片放大可以看到芯片以多条焊线连接四周的接脚这些接脚向外延伸并穿出胶体成为芯片与外界通讯的道路请注意图三中有一条焊线从中断裂那是使用不当引发过电流而烧毁致使芯片失去功能这也是一般芯片遭到损毁而失效的原因之一 图四是常见的LED也就是发光二极管其内部也是一颗芯片图五是以显微镜正视LED的顶端可从透明的胶体中隐约的看到一片方型的芯片及一条金色的焊线若以LED二支接脚的极性来做分别芯片是贴附在负极的脚上经由焊线连接正极的脚当LED通过正向电流时芯片会发光而使LED发亮如图六所示 半导体组件的制作分成两段的制造程序前一段是先制造组件的核心─芯片称为晶圆制造后一段是将晶中片加以封装成最后产品称为IC封装制程又可细分成晶圆切割黏晶焊线封胶印字剪切成型等加工步骤在本章节中将简介这两段的制造程序

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