1、電子制造技術(shù) 電子封裝與光電子封裝,吳豐順,一、課程簡介,隨著機(jī)械和電子學(xué)科結(jié)合得越來越緊密，使得對電子制造技術(shù)的認(rèn)識變得日益重要。本課程主要針對材料、電子、機(jī)械等專業(yè)的研究生與本科生，內(nèi)容包括： 微電子制造和微系統(tǒng)封裝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢； 半導(dǎo)體工藝介紹； 微電子封裝的主要形式、工藝及主要性能指標(biāo)； 電子組裝技術(shù)； 微電子和微系統(tǒng)封裝的可靠性分析、測試方法； 光電子封裝等。 通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對微電子制造的過程有所了解，對各自學(xué)科專業(yè)如何和電子制造相結(jié)合有所認(rèn)識。,教材：,“Fundamentals of Microsystems Packaging”, Rao R. Tunmmala,

2、McGRAE-HILL, 2001. （中文翻譯版已由東南大學(xué)出版社出版）,參考資料：,“The Electronic Packaging Handbook”, Ed. Blackwell, CRC Press LLC, 2000. “電子封裝工程”，田民波 編著，清華大學(xué)出版社，2003. “現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)”。,（部分有電子版，待發(fā)放）,（有電子版，待發(fā)放）,“電子制造技術(shù)基礎(chǔ)”，吳懿平主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2005出版,教師聯(lián)系方法：,吳豐順：武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室B104室 電話：027 87792402,課程安排：,課程教學(xué)內(nèi)容簡介，電子制造與電子封裝 半導(dǎo)體工藝技術(shù) 晶片級封裝 電子

3、組裝技術(shù) 光電子封裝 電子制造中的可靠性分析及測試,幾點(diǎn)建議：,1、本課程涉及大量的新名詞，很多是英文縮寫。 注意這些名詞與概念的對應(yīng)！ 2、本課程目的是初步了解電子產(chǎn)品制造的全過程。其中涉及機(jī)械、電子、材料、信息、化學(xué)、物理化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。 3、目前電子制造技術(shù)本身發(fā)展很快，其他書籍或網(wǎng)絡(luò)上能獲取大量相關(guān)信息。,二、微電子制造的現(xiàn)狀,電子工業(yè)已經(jīng)成為世界上最大的工業(yè)； 是一個(gè)國家繁榮的核心工業(yè)； 決定電子工業(yè)增長速度的關(guān)鍵： 半導(dǎo)體、半導(dǎo)體封裝、顯示器、存貯器、軟件、系統(tǒng)。 從不惜代價(jià)的研發(fā)轉(zhuǎn)向面大量廣的消費(fèi)類應(yīng)用的研發(fā)。,微電子技術(shù)改變著我們的生活：,煙盒大小的MD、MP3播放機(jī)、數(shù)字

4、錄音筆、掌上型電腦、具有通訊功能的電子手表、護(hù)照般大小的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、超小型移動電話等，正在走進(jìn)我們的生活，甚至成為人們的日常用品。 新一代個(gè)人移動電子裝置更將無線通訊、高密度彩顯與電腦集為一體。,MD(Mini Disc) player,PDA(Personal Digital Assistant),Wrist camera,Mobile phone,Automobile,吳豐順 博士 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室 光電材料與微納制造部 華中科技大學(xué)材料學(xué)院 (www.smt-),電子制造與電子封裝,制造、電子制造、電子封裝 電子封裝的發(fā)展 電子封裝工藝技術(shù) 倒裝芯片技術(shù) 導(dǎo)電膠技術(shù),提綱,制造： Ma

5、nufacture 制造是一個(gè)涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動和工作的總稱。（廣義的定義，國際生產(chǎn)工程學(xué)會） 從原材料或半成品經(jīng)過加工和裝配后形成最終產(chǎn)品的過程，即產(chǎn)品的加工工藝過程。（狹義的定義）,一、制造、電子制造、電子封裝,Longman詞典對“制造”(Manufacture)的解釋為“通過機(jī)器進(jìn)行(產(chǎn)品)制作或生產(chǎn)，特別是適用于大規(guī)模、大批量的方式運(yùn)作”（狹義） 制造涉及的領(lǐng)域遠(yuǎn)非局限于機(jī)械制造，包括了機(jī)械、電子、化工、輕工、食品和軍工等行業(yè) 制造不是僅指具體的工藝過程，而是包括市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝過程、裝

6、配檢驗(yàn)和銷售服務(wù)等在內(nèi)的產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程,廣義的制造技術(shù)涉及生產(chǎn)活動的各個(gè)方面和全過程，是從產(chǎn)品概念到最終產(chǎn)品的集成活動和系統(tǒng) 狹義理解的制造技術(shù)主要涉及產(chǎn)品的加工和裝配工藝及過程 機(jī)械制造：狹義的機(jī)械制造被理解為經(jīng)加工和裝配形成機(jī)械產(chǎn)品的過程，包括毛胚制作、零件加工、檢驗(yàn)、裝配等，其重點(diǎn)是機(jī)械加工和裝配工藝。廣義的機(jī)械制造應(yīng)該包括機(jī)械產(chǎn)品從市場分析、經(jīng)營決策、工程設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量控制、銷售運(yùn)輸直至售后服務(wù)的全過程。,電子制造（electronic manufacture）,橢圓部分又稱為電子封裝（electronic Packaging） 晶片的制造則稱為半導(dǎo)體制造（semicond

7、uctor manufacture）,廣義的電子制造也包括電子產(chǎn)品從市場分析、經(jīng)營決策、工程設(shè)計(jì)、加工裝配、質(zhì)量控制、銷售運(yùn)輸直至售后服務(wù)的全過程。 狹義的電子制造則是指電子產(chǎn)品從硅片開始到產(chǎn)品系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)過程。,電子封裝 從電路設(shè)計(jì)的完成開始，將裸芯片（chip）、陶瓷、金屬、有機(jī)物等物質(zhì)制造（封裝）成芯片、元件、板卡、電路板，最終組裝成電子產(chǎn)品的整個(gè)過程 半導(dǎo)體制造 利用微細(xì)加工技術(shù)將各單元器件按一定的規(guī)律制作在一塊微小的半導(dǎo)體片上進(jìn)而形成半導(dǎo)體芯片的過程，也稱為集成電路制造。,半導(dǎo)體制造的前工程和后工程 二者以硅圓片（wafer）切分成晶片（chip）為界，在此之前為前工程，在此之后為

8、后工程。 所謂前工程是從整塊硅圓片人手，經(jīng)過多次重復(fù)的制膜、氧化、擴(kuò)散，包括照相制版和光刻等工序，制成三極管、集成電路等半導(dǎo)體元件及電極等，開發(fā)材料的電子功能，以實(shí)現(xiàn)所要求的元器件特性。 所謂后工程是從由硅圓片切分好的一個(gè)一個(gè)的小晶片入手，進(jìn)行裝片、固定、鍵合連接、塑料灌封、引出接線端子、檢查、打標(biāo)等工序，完成作為器件、部件的封裝體，以確保元器件的可靠性并便于與外電路連接。,電子設(shè)計(jì)、電子制造（半導(dǎo)體制造與電子封裝）等構(gòu)成三個(gè)相對獨(dú)立的電子產(chǎn)業(yè)。 電子封裝涉及的范圍廣、帶動的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)多、與之相關(guān)的基礎(chǔ)材料和工藝裝備更是“硬中之硬”，亟待迅速發(fā)展。,電子產(chǎn)品分類： 消費(fèi)類電子產(chǎn)品 計(jì)算機(jī)和通信電

9、子產(chǎn)品 軍用電子產(chǎn)品 衛(wèi)星電子產(chǎn)品,電子產(chǎn)品的總成結(jié)構(gòu),母板,3級封裝,2級封裝,板卡,1級,元器件/模塊,0級,芯片,封裝的級別,提供如下主要作用： 信號互連 功率分配 機(jī)械支撐和保護(hù) 散熱 處理/存儲信息（功用） 保證一定服役條件下的 質(zhì)量、服務(wù)性、可靠性 成本 以及對功用的影響容限。,耳機(jī)與視覺,MD、MP3、MP4,手腕電子產(chǎn)品,手提電腦,移動電話、掌上電腦,身份識別,醫(yī)療電子,二、電子封裝的發(fā)展,小型化 超輕 高性能 多功能 高集成 低能耗 低成本 ,年,1970s,1980s,1990s,2000-2010,小尺寸,SOP,SOJ,S-SOP,TSOP,PLCC,QFP,DIP/P

10、GA,BGA,CSP,MCM,TQFP,TAB,電子封裝器件發(fā)展趨勢,多引腳,輕重量、小尺寸,高密度封裝的電子產(chǎn)品日益普及，已經(jīng)成為人們的必需 電子產(chǎn)品的功能越來越多、性能越來越強(qiáng)、體積越來越小、重量越來越輕 電子產(chǎn)品向多功能、高性能和小型化、輕型化方向迅猛發(fā)展 綠色制造成為優(yōu)先考慮的因素 高密度封裝從出現(xiàn)到成為主流只花了不到5年的時(shí)間，發(fā)展之迅速，所料不及，給我們帶來了非常好的發(fā)展機(jī)會,值得注意的動向,在美國，落后于半導(dǎo)體芯片技術(shù)的封裝技術(shù)正在奮起直追，研發(fā)先進(jìn)的封裝工藝與裝備，再次占領(lǐng)電子工業(yè)的新的制高點(diǎn)； 在歐洲，更加注重電子封裝和電子設(shè)計(jì)，將電子封裝視為成敗的關(guān)鍵； 在日本，已經(jīng)形成了

11、國家、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的聯(lián)合艦隊(duì)，大力發(fā)展電子封裝技術(shù)和裝備，成為電子封裝裝備的輸出國 在韓國，舉全國之力研發(fā)新一代封裝技術(shù)和裝備，并躋身成為封裝設(shè)備的輸出國,互連的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)發(fā)展,（a）6070s，是DIP與插裝的時(shí)代,（b）80s，是QFP和SMT的時(shí)代,引線鍵合技術(shù),通孔焊接技術(shù),引線鍵合、TAB技術(shù),表面安裝技術(shù),（d）21世紀(jì)的封裝集成 (喬治亞理工大學(xué)提出),電磁干擾（EMI）,低成本,高密度互連（HDI）,高速,多應(yīng)用,小型化,熱可靠,柔性化,下一代電子產(chǎn)品的要求,引線鍵合 載帶自動焊 倒裝芯片 通孔安裝 表面安裝 連接器和接插,一級封裝,二級封裝,三級封裝,其它技術(shù),封裝級別

12、分類,三、電子封裝工藝技術(shù),三、先進(jìn)電子制造系統(tǒng)概述,電子產(chǎn)品硬件的物理實(shí)現(xiàn)過程（從硅片到電子產(chǎn)品）,半導(dǎo)體 工藝,引線鍵合 TAB 倒裝芯片,通孔安裝 表面安裝,接插、導(dǎo) 線連接等,元器件,單晶硅片,晶片,產(chǎn)品系統(tǒng),板卡,前道工序,后道工序,電子封裝,電子組裝,廣義的電子封裝,（1）前道工序 （Lecture 2）,這一部分介紹如何從硅原材料制作成帶有不同功能的晶片（Chip）的過程。它包括的半導(dǎo)體工藝有：, 晶圓（Wafer）制作； 氧化（Oxidation）； 化學(xué)氣象淀積（Chemical Vapor Deposition）； 光刻（Lithography）； 掩模（Mask）制作 離

13、子注入 （Ion Implanting）； 擴(kuò)散 (Diffusion)； 濺射（Spluttering）； 等 ,（2）后道工序、電子組裝,晶圓流片后，隨后的劃片、貼片、封裝等工序被稱為后道工序。其中，電子封裝（Electronic Packaging）是其核心。,電子封裝是伴隨著電路、器件和元件的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，并且隨其發(fā)展而發(fā)展，最終發(fā)展成當(dāng)今的封裝行業(yè)。,電子封裝的四個(gè)功能： 為半導(dǎo)體芯片提供機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)； 接通半導(dǎo)體芯片的電流通路； 提供信號的輸入和輸出通路； 提供熱通路，散逸半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的熱。,電子封裝直接影響著: 電子產(chǎn)品的電、熱、光和機(jī)械性能 電子產(chǎn)品的可靠性和成本 電子

14、產(chǎn)品與系統(tǒng)的小型化。,要求電子封裝應(yīng)具有: 優(yōu)良的電性能、熱性能、機(jī)械性能和光學(xué)性能 高的可靠性和低的成本 無論在軍用電子元器件中，或是民用消費(fèi)類電路中，電子封裝具有舉足輕重的地位，概括起來就是 基礎(chǔ)地位、先行地位、制約地位,封裝和組裝一般可分為四個(gè)層次，即,母板,3級封裝,2級封裝,板卡,1級,元器件/模塊,0級,晶片,封裝的級別,零級和一級封裝稱為電子封裝（Electronic Packaging）（技術(shù)）； 把二級和三級封裝稱為電子組裝（Electronic Assembly）（技術(shù)）。,封裝技術(shù)的應(yīng)用,晶片級封裝,Wire Bonding (WR),Flip Chip (FC),Tap

15、e Automated Bonding (TAB),（主導(dǎo)地位）,引線鍵合,載帶自動焊,倒裝芯片,球形鍵合,楔形鍵合,芯片焊盤,WB封裝實(shí)例,小外形封裝（SOP，Small Out Package）,引腳,樹脂封模,晶片,金線,引線鍵合,TAB封裝實(shí)例,載帶,晶片,FC封裝實(shí)例凸點(diǎn),金釘頭凸點(diǎn),金（Au）凸點(diǎn),鎳（Ni）凸點(diǎn),銦（In）凸點(diǎn),共晶焊料凸點(diǎn),FC封裝示意圖,芯片,凸點(diǎn),底部填充,芯片基板,球柵陣列,完成1級封裝過程,完成2級封裝過程,電子封裝發(fā)展簡史： 1947年世界發(fā)明第一只半導(dǎo)體晶體管，同時(shí)也就開始了電子封裝的歷史。 50年代以三根引線的TO型外殼為主，工藝主要是金屬玻璃封接

16、工藝。與此同時(shí)發(fā)明了生瓷流延工藝，為以后的多層陶瓷工藝的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1958年發(fā)明第一塊集成電路，它推動了多引線外殼的發(fā)展，工藝仍以金屬-玻璃封接工藝為主。 60年代發(fā)明了DIP(Dual In-line Package)外殼，即雙列直插引線外殼。由于這種外殼的電性能和熱性能優(yōu)良，可靠性高，使它們倍受集成電路廠家的青睞，發(fā)展很快，在70年代成為系列主導(dǎo)產(chǎn)品，464只管腳均開發(fā)出產(chǎn)品。,由于陶瓷DIP的成本問題，又開發(fā)出塑料雙列直插（PDIP）外殼。這種外殼由于成本低，便于大量生產(chǎn)，所以得到迅速的發(fā)展，乃至延續(xù)至今。 80年代，表面安裝技術(shù)(SMT, Surface Mount Techn

17、ology)被稱作電子封裝領(lǐng)域的一場革命，得到非常迅猛的發(fā)展。與之相適應(yīng)，發(fā)明了一系列用于表面安裝技術(shù)的新的電子封裝形式，如無引線陶瓷片式載體（LCCC，Leadless Chip Ceramic Carrier ）、塑料有引線片式載體（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier）和四邊引線扁平封裝（QFP，Quad Flat Package），于80年代初達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化并投入生產(chǎn)。 由于密度高、引線節(jié)距小、成本低和適于表面安裝，使四邊引線塑料扁平（PFP）封裝成了80年代的主導(dǎo)產(chǎn)品。,90年代，集成電路發(fā)展到超大規(guī)模階段，要求電子封裝的管腳數(shù)越來越多，管腳節(jié)距越來越小，從而

18、電子封裝從四邊引線型（如四邊扁平封裝，QFP, Quad Flat Package等）向平面陣列型（針柵陣列，PGA, Pin Grid Array）封裝發(fā)展。 90年代初發(fā)明了球柵陣列（BGA，Ball Grid Array）封裝目前正處于爆炸發(fā)展階段。是電子封裝領(lǐng)域的又一場革命。 與此同時(shí)，國際上Si的12英寸片已投產(chǎn)，投資閾值越來越大，國內(nèi)也上了幾家8英寸的廠。 由于6英寸以下Si片的大規(guī)模生產(chǎn)成本大大降低，因此集成電路以BGA技術(shù)為基本形式迅速發(fā)展。例如向著多芯片組件（MCM，Multi Chip Module）發(fā)展，即把多塊裸露的集成電路芯片以到裝焊的方式安裝在一塊多層布線襯底上，并

19、封裝在同一外殼中。發(fā)展勢頭只增不減，已形成MCMC、MCM-D、MCMI等幾種類型。,芯片的封裝技術(shù)從DIP、QFP、PGA、BGA到Flip-Chip（倒裝芯片）、CSP（Chip Scale Packaging）再到MCM芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1。,雙列直插式（DIP）,四邊扁平式（QFP）,針柵陣列,球柵陣列,倒裝芯片,單列直插式（SIP）,小外形封裝（SOP，Small Out Package）,封裝技術(shù)發(fā)展史飛速發(fā)展的電子工業(yè)史,DlP-Standard(Dual In-line Package),They are most widely used. The lead p

20、itch is 2.54 mm(100 mil), and the spacing between terminal rows is 300, 400, or 600 mil.,DIP-Skinny,Standard DIPs with spacing between terminal rows of 7.62 mm (300 mil) and with 20 or more pins.,DIP-Shrink,Standard DIPs with a lead pitch reduced to 1.778mm (70 mil). They are smaller in external siz

21、e than standard DIPs and suited to compact electronic equipment using high-pin-density IC packages.,ZIP (Zigzag In-line Package),Featured by the leads which are drawn out from each package body into a single row to allow vertical mounting with a lead pitch of1.27 mm (50 mil). The leads of each packa

22、ge are Zigzag folded, within the package surface thickness, into two rows. The Zigzag folding increases the lead pitch in each row to 2.54 mm (100 mil).,Hermetic ceramic package. The lead pitch is 2.54 mm (100 mil) and the package body is made of ceramics. Metal or glass may be used as a sealing mat

23、erial.,Standard DIP,陶瓷封裝IC,PGA(Pin Grid Array),Featured by the leads which are drawn out vertically from each package body and arranged on the specified grid. The package body is made of ceramics, and the standard lead pitch is 2.54 mm (100 mil). PGA packages are suited to multi-pin packaging.,SOP (

24、Small Out-line L-Leaded Package),Characterized by gull-wing type leads which are drawn out from each package body in two directions, and can be mounted flat. The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).,SOP packages with a lead pitch of less than 1.27 mm (50 mil) are called SSOP.,SSOP (Shrink Small

25、Out-line L-Leaded Package),QFP (Quad Flat L-Leaded Package),Characterized by gull-wing type leads which are drawn out from each package body in four directions, and can be mounted flat. There are various QFPs available because the lead pitch is variable and the dimensions of the package body fixed.,

26、SOJ(Small Out-line J-Leaded Package),Packages are characterized by J-shaped leads which are drawn out from each package body in two directions, and can be mounted flat.The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).,QFJPLCC(Quad Flat J-Leaded Package),Packages are characterized by J-shaped leads which

27、are drawn out from each package body in four directions, and can be mounted flat.The standard lead pitch is 1.27 mm (50 mil).,BGA (Ball Grid Array/Fine Pitch BGA),Packages are surface mounting package with solder ball arrays on backside surface of printed circuit board (PCB).,適用頻率越來越高 耐溫性能越來越好 引腳數(shù)增多

28、 間距減小 重量減小 可靠性提高 使用更加方便,性能發(fā)展：,從Intel 4004、80286、386、486發(fā)展到Pentium、PII、P3、P4； 位數(shù)從4位、8位、16位、32位發(fā)展到64位； 主頻從幾兆到今天的2GHz以上； CPU芯片里集成的晶體管數(shù)由2000個(gè)躍升到千萬個(gè)。,集成電路的規(guī)模: 小規(guī)模集成（SSI，Small Scale Integration）、MSI （Medium） 、LSI （Large） 、VLSI （Very-large） 、ULSI（Ultra-large）； 封裝引腳(I/O) ：從幾十根，逐漸增加到幾百根，到目前的2千根以上。,20年間CPU的變化：,電子封裝的發(fā)展特點(diǎn): 1）向高密度發(fā)展 LSI和VLSI集成度越來越高，要求封裝的管腳數(shù)越來越多，管腳節(jié)距越來越小，因此封裝難度越來越大。目前，陶瓷外殼CCGA已達(dá)1089pin，CBGA已達(dá)625pin，節(jié)距已達(dá)0.5mm，PQFP已達(dá)376pin，TBGA已達(dá)1000pin以上。,2）向表面安裝技術(shù)發(fā)展 國際上表面安裝技術(shù)發(fā)展很快，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1988年SMT約占17.5，1993年占44，1998年占75。傳統(tǒng)的雙列直插封裝所占份額越來越小，取而代之的是表面安裝類型的封裝，如有引線塑料片式載體、無引線陶資片式載體、四邊