半导体芯片组装方法

半导体封装方法主要分为传统封装和晶圆级封装。传统封装组装方法有其特定的流程，以塑料封装（包含引线框架封装和基板封装）为例，其组装步骤可分为多个部分。在组装之前，需要先进行晶圆制造（Wafer Fabr ication）、晶圆检测/分选（wafer Probe/Sorting）等前置工序。在芯片组装（Assemble）环节，涉及到将芯片放置到特定的封装结构中。例如，在引线框架封装中，要把芯片安装到引线框架上；在基板封装中，则是将芯片安装到基板上，这两种封装工艺的前半部分流程相同，而后半部分流程则在引脚连接方式上存在差异。之后还会进行如密封（Post Mold Cure）、修剪（Trim）、成型（Form）、电镀（Plating）等操作，再经过老化（Burn In）、初始测试（Initial Test）以及最终测试（Final Test）等工序，最终得到成品（Finish Goods）。整个过程是在高度受控的干净环境中进行，以避免空气中的外来颗粒对芯片造成影响。晶圆级封装也有其自身的一套组装逻辑和流程，不过同样是围绕着将芯片进行有效的封装和连接等操作来展开的，目的是将芯片与外界驱动电路及其他电子元器件相连，同时为芯片提供支持和保护。

半导体芯片组装常见问题

一、工艺方面

1. 芯片贴合问题

• 在将芯片贴合到基板或引线框架上时，如果贴合的精度不够，可能会导致芯片与连接部分接触不良。例如，在高精度的芯片组装中，芯片与引脚的连接需要精确到微米级别，稍有偏差就可能影响芯片的电气性能。这种偏差可能是由于贴片机的精度不够，或者在操作过程中受到震动等外界因素干扰。

• 贴合过程中的压力控制也非常关键。如果压力过大，可能会损坏芯片的脆弱结构，如芯片内部的线路或焊点；而压力过小，则可能导致贴合不牢固，在后续的使用过程中出现芯片松动的情况。

2. 引线键合问题

• 引线键合是芯片与外部连接的重要方式。键合的质量直接影响芯片的电气连接性。键合点的形状、大小和位置都需要严格控制。如果键合点过大，可能会导致相邻键合点之间短路；如果键合点过小或者形状不规则，则可能会造成连接电阻过大，影响信号传输。

• 键合过程中的金属丝（如金线）的质量也很重要。金属丝的纯度、直径和强度等特性会影响键合的稳定性。例如，金属丝纯度不够可能会导致其在键合过程中容易断裂，或者在长期使用过程中出现氧化等问题，从而影响芯片的可靠性。

二、测试相关

1. 检测不完全

• 在芯片组装过程中，需要进行多次测试来确保芯片的质量。然而，由于测试设备的局限性或者测试方法的不完善，可能会存在一些潜在的问题没有被检测出来。例如，一些细微的电路短路或者开路问题，可能由于测试信号的频率或者幅度不够，而无法被检测到。

• 对于一些复杂的芯片功能，如高速信号处理或者多芯片集成后的协同功能测试，现有的测试方法可能无法全面覆盖，导致一些功能缺陷的芯片流入下一个工序或者最终成品中。

2. 测试环境影响

• 测试环境的温度、湿度和电磁干扰等因素也会对测试结果产生影响。例如，在高温环境下测试芯片的性能，可能会导致芯片的某些参数超出正常范围，而实际上在正常使用环境下这些参数是正常的。如果测试环境中的电磁干扰较大，可能会干扰测试信号，使得测试结果不准确，误判芯片的质量。

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三、材料兼容性

1. 封装材料与芯片的兼容性

• 封装材料（如塑料、陶瓷或金属外壳）如果与芯片的材料不兼容，可能会发生化学反应。例如，某些塑料封装材料中的化学物质可能会侵蚀芯片表面的金属层，导致芯片的电气性能下降。这种化学侵蚀可能是缓慢的，在芯片使用一段时间后才会显现出问题，影响芯片的使用寿命。

2. 不同连接材料之间的兼容性

• 在芯片组装中，会用到多种连接材料，如焊料、导电胶等。如果这些材料之间的兼容性不好，可能会导致连接失效。例如，焊料与芯片引脚的金属涂层之间如果不能很好地融合，可能会形成虚焊，影响芯片的电气连接稳定性。

半导体芯片保护措施

一、静电防护

1. 静电产生的危害

• 绝大多数半导体器件都是静电敏感器件。在半导体器件的生产、传递、包装、运输、贮存、使用等各环节都可能产生静电。例如，工作服与工作台面、座椅摩擦时，可在服装表面产生6000V以上的静电电压；橡胶或塑料鞋底与地面摩擦、运输时器件表面与包装材料摩擦、用高分子材料制作的各种料盒等因摩擦、冲击都会产生静电，而设备内的高压变压器等也会感应出静电。静电的危害主要包括静电吸附和静电放电（ESD）造成电击穿。静电吸附会使工作场所的浮游尘埃吸附于芯片表面，改变线条间的阻抗，影响半导体器件的功能与寿命。静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿，引起元器件的电击穿是静电危害的主要方式，可能造成如热二次击穿、金属镀层熔融、介质击穿、气弧放电、表面击穿、体击穿等损伤，而且静电损伤具有隐蔽性、潜在性和累积性、随机性、复杂性等特点。

2. 静电防护措施

• 防静电设计：在半导体器件的设计中，应在器件内部设置静电防护元件，提供适当的输入保护，使其避免ESD的伤害。常用的防护元件有电阻 - 二极管防护网络、电容、双极晶体管、可控硅整流器等。

• 控制静电放电：从控制静电的产生和促使静电的消除两方面入手。控制法是对工艺流程中材料的选择、装备安装和操作管理等过程采取预防措施，抑制静电电位和放电能量；泄漏法采用边产生边泄漏的办法防止静电荷的聚集，如通过静电接地使电荷向大地泄漏；屏蔽法采用接地的屏蔽罩把带电体与其他物体隔离开；复合中和法是用静电消除器所产生的正负离子来中和带电体的电荷。

• 具体防静电设施：如埋设防静电地线，应独立埋设，距建筑物和设备地20m以外，至少三点接地，接地电阻小于10Ω；铺设防静电地线，使用多股铜芯绝缘线，每个工作间设检查点；铺设防静电地板，其下层为导电层与防静电地连接，上层为绝缘防静电产生层；使用防静电工作台面，采用特定表面电阻的材料，可通过专用静电手环导线接地等。

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二、过流和过压保护

1. 抗浪涌过流保护（TVS保护）

• 使用TVS保护器件，使电路或芯片免受电源或静电等引发的电路浪涌过流的损害。当电路中出现瞬间的高电流（如电源的突然接通或断开、雷击等情况引起的浪涌电流）时，TVS保护器件能够迅速响应，将多余的电流分流到地，从而保护芯片内部的电路结构不被过大的电流烧毁。

2. 其他过压保护措施

• 对于芯片可能遇到的过压情况，除了TVS保护器件外，还可以在电路设计中采用稳压二极管等元件。稳压二极管在正常电压下处于截止状态，当电压超过其稳压值时，它会导通，将多余的电压钳位在一个安全范围内，防止过高的电压施加到芯片上，避免芯片内部的晶体管等元件被击穿。

三、物理保护

1. 封装保护

• 半导体封装是将制作好的半导体器件放入具有支持、保护的塑料、陶瓷或金属外壳中。这种封装外壳可以防止芯片受到外界的物理碰撞、划伤等机械损伤。例如，在一些恶劣的使用环境中，如在工业设备或者移动设备中，芯片可能会受到震动、撞击等情况，封装外壳能够起到缓冲和保护的作用。

• 封装还可以防止芯片受到灰尘、水分等污染物的侵蚀。对于一些高精度的芯片，灰尘颗粒可能会导致短路或者干扰芯片的正常工作，而水分可能会引起芯片的腐蚀或者短路，封装能够将芯片与外界环境隔离开来，确保芯片的正常运行。

2. 芯片内部结构加固

• 在芯片的设计和制造过程中，可以采用一些技术来加固芯片的内部结构。例如，采用更坚固的材料或者更合理的芯片布局结构，以提高芯片在受到外力或者温度变化等情况下的稳定性。对于一些多层结构的芯片，合理设计层间的连接和支撑结构，可以防止芯片在受到压力时发生层间分离等损坏情况。

芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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