很多制造商提供的是unmounted的集成電路dice,但很少有這種bare dice的大銷售。多數(shù)客戶沒有設(shè)備或技術(shù)來處理bare dice,所以需要封裝他們。應(yīng)此封裝也是集成電路制造的一部分。
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封裝集成電路的第一步是把它裝入leadframe里。圖2.31顯示了八引腳的dual-in-line package(DIP)的leadframe的簡圖,chip已經(jīng)裝上了。Leadframe本身是由一個矩形的裝die的mount pad和一些lead fingers組成,lead fingers最終形成DIP的8個lead。Leadframs通常是條狀的,所以幾個dice可以同時處理。他們要么stamped out of thin sheets of metal,要么用和刻印刷電路板相似的光刻技術(shù)來蝕刻。Lead frame要么是銅或銅合金,通常plated with tin or a tin-lead alloy。銅不是leadframes的理想金屬,因為它和硅的熱膨脹系數(shù)不同。隨著封裝部分被加熱或冷卻,die和leadframe的不同膨脹產(chǎn)生機械壓力,這對die的性能產(chǎn)生壞的影響。不幸的是,和硅有相似膨脹系數(shù)的物質(zhì)只有很差的機械和電特性。偶爾在特殊部件的low-stress的封裝中會使用一些這種物質(zhì);叫做Alloy-42的鎳鐵合金可能是最頻繁會遇到的。(節(jié)7.2.6)。
圖2.31 8引腳DIP的leadframe的簡圖。
通常用環(huán)氧樹脂來裝載die到leadframe上。有時,樹脂里添加銀粉來提高導熱能力。環(huán)氧不是必須的,這樣能降低leadframe和die熱膨脹時的壓力。另一個方法是在硅和leadframe之間提供更高的thermal union,但它會引起更大的機械壓力。比如,die的背部能鍍上金屬或合金再焊接到leadframe?;?,貼上叫做gold preform的金箔到leadframe;加熱die使得它和gold preform合成為牢固的機械連接。焊接連接和gold preform都能在die和leadframe之間有很好的thermal contact。他們都能產(chǎn)生一個用來連接die的襯底和pin之間的電氣連接。能傳導的環(huán)氧能提高熱傳導,但不能總是信賴他們來提供電氣連接。(26 R.L. Opila 和J.D. Sinclair, “Electrical Reliability of Silver Filled Epoxies for Die Attach,” 23rd International Reliability Physics Symp., 1985, pp. 164-172.)
die裝到leadframes上后,下一步是裝bondwires。只有在die上通過保護層的opening暴露出的金屬的區(qū)域才能bonding;這些區(qū)域叫做bondpads。Wafer探測用的探測卡為了測試在bondpads上做了contacts,但探針也可以在不連接bondwires的pads上做contact。保留做測試用的pads通常叫做testpads,來和實際的bondpads區(qū)分開。Testpads通常比bondpads小,因為探針比bondwires能到更小的區(qū)域。
用光學辨識bandpads地點的高速自動機械能做bonding。這些機器通常用1mil(25μm)的金線來bonding,盡管通常用的是小至0.8mil或大至2.0mil的金線。直徑達到10mil的鋁線也能用,盡管這需要非常不同的bonding機器。一次只能用一種直徑和型號的線來bond,很少有die用多種的。最通常的做法是在所有的pads上用1mil的金bondwire。多根并行bonded的1mil的線能負載更高的電流或提供更低的電阻,而不需要大直徑線的第二次bonding pass。
Bonding 金線最常用的技術(shù)叫做ball bonding。(27 B.G. Streetman, <?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />
Bonding機器從一個叫capillary的小管子中注入金線。氫火焰融化了線頭形成一個小的金球,或ball(圖2.32, 第一步)。一旦形成金球,capillary朝著bondpad壓下去。金球在壓力下變形,金和鋁熔合在一起變成焊點。(步驟2),下一步,capillary上升往附近的lead finger移動(步驟3)。Capillary再次下降,把金線打入lead finger。這樣金和底下的金屬合成產(chǎn)生焊點(步驟4)。由于在這個點沒有球,最終的bond叫做stitch bond而不是ball bond。最后,capillary 從lead finger上升,氫火焰割開線,兩個線頭都融化成球形。(步驟5)。Bond就結(jié)束了,在伸出capillary的線頭上也有了另一個球,為下一次做好了準備。自動bonding機器可以在高精度下一秒鐘重復這些步驟10次。這些機器的高速和無差錯能產(chǎn)生極大的經(jīng)濟規(guī)模效應(yīng),整個bonding流程的成本不超過1到2美分。
圖2.32 ball-bonding工藝的步驟
鋁線不能做ball-bonded,因為氫火焰會ignite the fine aluminum wire。相反,一個小的,楔形工具能用來輔助capillary。當capillary帶著線接近bondpads時,這個工具把它對著pad打碎,形成一個stitch bond。 這個過程也在lead finger重復,and the tool is then held down against the lead finger while the capillary moves up。鋁線里的張力在它最薄弱的點折斷鋁線,并立即形成焊點。這個過程能以所需重復多次。
Ball-bonding工藝要求一個大約是線的直徑三倍的正方形bondpad。這樣,1mil的金線能連到對角線大約為3mil的正方形bondpad。Wedge bonding要求更高,通常要求矩形的bondpad。這些bondpad必須和wedge工具處于同一個方向。他們一般是線厚的兩倍寬,四倍長。Wedge bondpads的實際規(guī)則可以變得非常復雜,特別是對厚的鋁線。
圖2.31顯示的是bonding 步驟結(jié)束后die被裝入leadframe。Bondwires連接不同的bondpad到他們相應(yīng)的lead。盡管和pins比起來線都很小,但他們每一個都能負載1安培的電流。
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