基于热压球形键合的芯片封装方法、装置及芯片封装结构

技术领域

本发明属于芯片封装技术领域，具体涉及一种基于热压球形键合的芯片封装方法、装置及芯片封装结构。

背景技术

随着科学技术的发展，非易失性存储器已经在我们的日常生活中被广泛的使用，我们使用的手机上存储的短信消息、USB里面保存的文件、电脑里的程序代码等均采用非易失性存储器。芯片封装的结构和方法将决定芯片使用过程中的稳定性以及与其他电路连接的好坏，影响到芯片的性能。封装技术是一种利用绝缘材料将集成电路封装的技术。芯片封装具有提供电源，提高信号传输，协助散热，保护电子组件，构建人机界面等众多功能，因此芯片封装是芯片制作利用中必不可少的一个环节。

随着存储芯片的发展，由摩尔定律我们可以知道，每隔18个月，芯片的密度以及其引脚都会翻倍。因此，存储器的引脚数量也越来越多，越来越密集。这对芯片的封装产生了巨大的挑战。芯片封装是芯片使用过程中必不可少的一个步骤，而为了满足市场对芯片封装的需求，各种新型的封装形式也层出不穷。

对高密度多引脚阵列封装，目前主流的贴片封装技术和BGA(焊球阵列)封装技术存在封装翘曲、返修困难等问题。在现有技术中，芯片封装分为一级封装、二级分装和三级封装，一级封装是用封装外壳将芯片封装成单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)，二级封装是印刷电路板的封装和装配，将一级封装的元器件组装到印刷电路板(PCB)上，三级封装是将二级封装的组件查到同一块母板上，也就是关于插件接口、主板及组件的互连；在一级封装过程中需要进行引线键合，通常的引线键合方法大致分为热压键合焊、热声键合焊、超声波键合焊三种方法，在引线键合过程中，通常需要采用如中国专利申请CN114843199A公开的半导体器件引线键合装置中的连接外部提供惰性气体(如氮气)的外部气源，用于向键合区吹送抗氧化气体，在键合过程中通常采用如CN111048447A、CN111106021A公开的引线键合方法进行芯片与基材或引线框架的弧形引线键合丝的键合。

虽然部分技术考虑了在键合过程中的连接在芯片或电极上的金属丝在引线夹的压持下形成线弧，由于金属丝自身材料的特性，形成线弧的金属丝本身具有一定张力，金属丝的张力和线夹的夹持力直接影响着键合质量和键合效率情况，进而对引线键合的技术进行改进，但是其仅仅考虑了键合时键合的引线在垂直二维剖面上形成的张力的影响因素；但是却未考虑引线键合在键合机所在的三维水平坐标系内以及键合头所在的三维移动坐标系内键合机的三维移动进而使引线夹带动键合头沿三维水平坐标系的垂直z轴方向上的拉力以及为了抗氧化而吹入的惰性气体对键合头的移动带来的阻力，进而对键合头所在的三维移动坐标系内的三维实时移动坐标和移动速度的影响，进而无法对键合头最终在芯片的第一焊接点以及基材或引线框架的第二焊接点之间形成的弧形引线的实时行走路径。

因此现有技术忽略了在芯片加工封装过程中，由于引线过长，或线弧形状不规则，造成相邻两个引线搭接而发生短路而烧毁芯片；或者由于引线过长而发生“塌线”现象，与其他引线发生短接的因素的对芯片封装的成品率的影响。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种基于热压球形键合的芯片封装方法、装置及芯片封装结构。本发明能够避免键合过程中某时刻或某阶段由于真空张紧装置以及惰性气体造成的气体扰动阻力的动力不平稳带来的键合路径偏移带来的引线路径偏离造成芯片键合过程中次品率增大的缺陷，同时本发明的方法最终使整个引线键合路径最短，避免引线键合后造成引线过长或者弧形高度过高、弧形转角较小造成的引线塌线的情况，进而可以有效从引线键合过程控制芯片封装的质量，保证了芯片封装后的成品率。

本发明提供如下技术方案：基于热压球形键合的芯片封装方法，所述方法包括前道步骤和后道步骤，所述前道步骤包括晶圆划片、芯片与基板共晶焊接、引线键合，所述后道步骤包括封装、后固化、激光打标、电镀以及成型分散，所述方法包括以下步骤：

1)将晶圆进行划片，得到多个可电连接的且具有固定图案的半导体裸芯片；

2)将所述半导体裸芯片与基板进行高温共晶焊接；

3)将得到具有基材的芯片与引线框架进行引线键合；

4)将散热片置于键合后的芯片体下方，然后采用EMC树脂材料按照封装体外壳和引线框架所具有的外引脚数目对整体进行封装；

5)对封装后的产品进行后固化、激光打标；

6)对所述5)步骤得到的产品进行电镀并成型分散，测试后包装得到一级封装后的芯片封装结构；

所述3)步骤中采用的引线键合方法，包括以下步骤：

S1：定位芯片上第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点的三维坐标

S2：规划芯片第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第二焊接点的引线键合路径；

S3：按照所述S2步骤规划引线键合路径的方法，采用引线键合系统采用球形焊接技术焊接芯片上第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第位于引线框架上的第二焊接点，形成第j条弧形键合引线，并采用所述S2步骤规划芯片引线键合路径方法键合多条芯片与引线框架上的引线。

进一步地，所述S2步骤中规划芯片第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第二焊接点的引线键合路径，包括以下步骤：

S21：定义引线键合系统的真空张紧装置给予毛细管状键合头端口的引线被牵引向上移动的力为向上移动的力L，并且惰性气体供给装置给予毛细管状键合头端口的引线的阻力为阻力R，实时采集引线键合系统的毛细管状键合头移动于键合机所在的水平坐标系下的三维坐标

为第i个焊盘的第j条弧形键合引线t时刻于弧形键合引线上的位点，/>

S22：根据所述S21步骤实时采集得到的数据，计算所述引线键合系统的毛细管状键合头于水平坐标系下的实时x轴移动速度

S23：构建弧形键合引线实时移动过程中的气动平衡方程；

S24：在所述S23步骤构建的气动平衡方程的基础上，构建弧形键合引线路径规划模型：

S25：采用粒子群优化算法，迭代优化所述S24步骤构建的弧形键合引线路径规划模型，寻找t时刻弧形键合引线最优位点

进一步地，所述半导体裸芯片的尺寸为5800μm×4140μm；所述5)步骤中还包括切除散热片，即对超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除；所述外引脚的弯曲贴合方向朝向封装体的上方或朝向封装体的下方。

进一步地，所述S22步骤中计算所述引线键合系统的毛细管状键合头于水平坐标系下的实时x轴移动速度

进一步地，所述S23步骤中构建的弧形键合引线实时移动过程中的气动平衡方程如下：

其中，α(t)为第i个焊盘的第j条弧形键合引线于t时刻移动坐标系下的路径倾角，m为所述弧形键合引线的质量，g为重力加速度，一般为9.81m/s

进一步地，第i个焊盘的第j条弧形键合引线于t时刻移动坐标系下的路径倾角α(t)的计算公式如下：

进一步地，所述S25步骤中采用粒子群优化算法优化所述S24步骤构建的弧形键合引线路径规划模型，包括以下步骤：

S251：以t时刻弧形键合引线位点

S252：初始化粒子参数矩阵，以已知第k+1代粒子更新速率

其中，所述已知第k+1代粒子更新速率

其中，

S253：以t时刻第k+1代最佳粒子参数矩阵

/>

其中，

t时刻第k代最佳离子参数矩阵的更新函数值

更新最优点阈值ε的计算公式如下：

其中，

S254：重复所述S251-S253步骤，直至得到t时刻最优粒子参数矩阵：

本发明还提供一种根据如上任一所述方法封装得到的芯片封装结构。

本发明还提供一种采用如上所述的芯片封装方法的芯片封装装置，所述芯片封装装置包括用于引线键合的引线键合系统和主控制模块，所述引线键合系统包括带动引线夹于引线键合系统的三维水平坐标系内进行移动的X轴滑轨、X轴丝杠组件、X轴伺服电机、Y轴滑轨、Y轴丝杠组件、Y轴伺服电机、Z轴滑轨、Z轴丝杠组件和Z轴伺服电机，控制引线夹于水平坐标系内进行三维偏转运动的第一伺服电机以及用于供给惰性气体的惰性气体供给装置；

所述引线键合系统还包括用于实时采集所述引线夹于水平坐标系内三维坐标的GPS定位传感器、三维转角的角速度传感器；

用于实时监测所述向上移动的力L的张力传感器，以及用于实时监测惰性气体供给装置供给气体时产生的阻力R的气体压力传感器；

用于实时监测由于所述向上移动的力L和所述阻力R抵消后形成的力F的作用下毛细管状键合头水平坐标系下的运动速度的线速度传感器；

所述引线键合系统的引线夹上部连接有用于张紧引线夹内引线的真空张紧装置，所述引线夹下部设置有毛细管状键合头；所述引线键合系统还包括设置于所述毛细管状键合头下部的打火杆用于第一焊接点和第二焊接点处引线键合时对所述毛细管状键合头引出的引线烧球；

所述引线键合系统的X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴滑轨、Z伺服电机、第一伺服电机、真空张紧装置、打火杆、所述张力传感器、所述气体压力传感器、所述线速度传感器以及所述角速度传感器均与所述主控制模块电信号连接，所述主控制模块用于采用如上所述的芯片封装方法如所述S1步骤-所述S3步骤的引线键合方法规划的引线键合路径控制引线键合系统。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过传感器实时监测相当于键合机的引线键合系统中的毛细管状键合头于其所在的水平坐标系下的坐标、角速度，进而实时转换为引线夹下方在其自身可以三维旋转的移动坐标系下的毛细管状键合头的实时坐标和角速度并通过张力传感器实时监测毛细管状键合头端口的引线被牵引向上移动的力L(向上移动的力L为在移动坐标系下的，且为真空张紧装置给予的)，还通过气体压力传感器实时监测惰性气体给与键合头的阻力R，进而构建弧形键合引线实时移动过程中的气动平衡方程，气动平衡方程中包括将向上移动的力L分解为移动坐标系下x轴分力L

进而使相邻时间点之间的弧形键合得到的t时刻和t+1时刻的引线路径最短，进而键合得到的整个弧形引线路径最短且满足整个键合过程中键合的向上的动力以及阻力达到稳定状态的气动平衡，保证了弧形引线键合过程中的实时气动平衡且键合得到的弧形引线路径最短，避免键合过程中某时刻或某阶段由于真空张紧装置以及惰性气体造成的气体扰动阻力的动力不平稳带来的键合路径偏移带来的引线路径偏离造成芯片键合过程中次品率增大的缺陷，同时本发明的方法最终使整个引线键合路径最短，避免引线键合后造成引线过长或者弧形高度过高、弧形转角较小造成的引线塌线的情况，进而可以有效从引线键合过程控制芯片封装的质量，保证了芯片封装后的成品率。

2、本发明采用的芯片封装方法，构建了在气动平衡方程的约束的前提下的弧形键合路径最小化模型，在优化过程中，采用粒子群优化算法，将每一个时刻的键合引线路径中的坐标点

3、本发明采用的芯片封装方法，在芯片和引线框架键合之前将半导体裸芯片与基板采用共晶焊接的方法进行焊接，通过采用添加采用共晶焊接的步骤使得芯片封装中采用的共晶焊料比纯组元熔点低，简化了熔化工艺，且共晶合金比纯金属有更好的流动性，在凝固中可防止阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善了铸造性能，共晶焊接过程中恒温转变(无凝固温度范围)减少了如偏聚和缩孔等铸造缺陷，共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织，进而优于现有技术中将芯片与基材贴合的导电胶粘合技术或回流焊技术。

4、本发明提供的芯片封装方法封装后的芯片封装结构，在EMC树脂材料形成的外壳内部、于与基材共晶焊接后的芯片体下方设置有散热片，能够有效提高本发明提供的芯片封装方法封装得到的芯片的散热性能，进而提高具有本芯片的PCB板的存储器件和逻辑器件在运行过程中由于计算量过大导致的PCB板的耐热工作时长，避免了PCB板由于计算量过大而导致电路性能下降或损坏的情况的发生，提高了PCB板元器件的工作稳定性，耐恶劣环境及较大工作量。

5、本发明提供的芯片封装方法在最后的芯片封装时，可以采用如图4-图7所示的四种EMC树脂材料形成的不同外形的封装体外壳，并将外引脚与EMC树脂材料外壳一同封装，可以根据不同的芯片封装外壳结构和外引脚数目进行选择性组合封装，提高了具有散热片和优化引线键合路径的引线的芯片内部结构的适用性，广泛适用于不同外壳结构和外引脚数目的PCB板二级封装结构的需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的基于热压球形键合的芯片封装方法的流程示意图。

图2为本发明提供的基于热压球形键合的芯片封装方法中的引线键合平面示意图。

图3为本发明提供的基于热压球形键合的芯片封装方法在封装过程中的组装图。

图4为本发明提供的芯片封装方法封装得到的产品1的外形结构图。

图5为本发明提供的芯片封装方法封装得到的产品2的外形结构图。

图6为本发明提供的芯片封装方法封装得到的产品3的外形结构图。

图7为本发明提供的芯片封装方法封装得到的产品4的外形结构图。

图8为本发明提供的芯片封装方法采用的引线键合方法的流程示意图。

图9为本发明提供的引线键合方法中的水平坐标系及移动坐标系以及被键合的引线某一点的受力情况。

图10为本发明提供的芯片封装装置结构示意图。

图中的附图标记对应的技术特征如下：

1、半导体裸芯片；2、基板；3、引线框架；4、散热片；5、封装体外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种基于热压球形键合的芯片封装方法的流程示意图，本发明提供的方法包括前道步骤和后道步骤，本发明提供的基于热压球形键合芯片封装方法的前道步骤和后道步骤可以是如中国专利申请文件201810431453.8半导体的封装方法公开的前道步骤和后道步骤；本发明提供的基于热压球形键合芯片封装方法所述前道步骤包括晶圆划片、芯片与基板共晶焊接、引线键合，所述后道步骤包括封装、后固化、激光打标、电镀以及成型分散；

特别地，本发明提供的基于热压球形键合芯片封装方法对现有技术的改进点如下：本发明提供的芯片封装方法，包括以下步骤：

1)将晶圆进行划片，得到多个可电连接的且具有固定图案的半导体裸芯片1(Die)；

2)将半导体裸芯片1与基板2进行高温共晶焊接；

高温共晶焊接可以采用如中国专利201511021788.5公开的半导体芯片的共晶焊接方法进行焊接；

3)如图2所示，将得到具有基材的芯片与引线框架3进行引线键合；

4)如图3所示，将散热片4置于键合后的芯片体下方，然后采用EMC树脂材料按照如图4-图7所示的四种封装体外壳5和引线框架3所具有的外引脚数目对整体进行封装；

5)对封装后的产品进行后固化、激光打标；

6)对5)步骤得到的产品进行电镀并成型分散，测试后包装得到一级封装后的芯片封装结构。

进一步优选地，半导体裸芯片的尺寸为5800μm×4140μm；5)步骤中还包括切除散热片，即对超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除；外引脚的弯曲贴合方向朝向封装体的上方或朝向封装体的下方。

当进行到5)步骤的激光打标后，选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除可以得到如图4-图5的产品1和产品2的封装后的芯片封装结构；当选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除，并在封装时选择将外引脚弯曲贴合方向朝向封装体上方时，得到产品1；当选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除，并在封装时选择将外引脚弯曲贴合方向朝向封装体下方时，得到产品2。

当进行到5)步骤的激光打标后，不选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除可以得到如图6-图7的产品3和产品4的封装后的芯片封装结构；当不选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除，并在封装时选择将外引脚弯曲贴合方向朝向封装体上方时，得到产品3；当不选择切除超出封装体外壳的两头的部分散热片进行切除，并在封装时选择将外引脚弯曲贴合方向朝向封装体下方时，得到产品4；

作为本发明的一个优选实施例，如图8所示，3)步骤中采用的引线键合方法，包括以下步骤：

S1：定位芯片上第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点的三维坐标

S2：规划芯片第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第二焊接点的引线键合路径；

S3：按照S2步骤规划引线键合路径的方法，采用引线键合系统以球形焊接技术焊接芯片上第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第位于引线框架上的第二焊接点，形成第j条弧形键合引线，并采用S2步骤规划芯片引线键合路径方法键合多条芯片与引线框架上的引线。

作为本发明的另一个优选实施例，S2步骤中规划芯片第i个焊盘的第j条弧形键合引线的第一焊接点至第二焊接点的引线键合路径，包括以下步骤：

S21：如图9所示，定义引线键合系统的真空张紧装置给予毛细管状键合头端口的引线被牵引向上移动的力为向上移动的力L，并且惰性气体供给装置给予毛细管状键合头端口的引线的阻力为阻力R，实时采集引线键合系统的毛细管状键合头移动于键合机所在的水平坐标系下的三维坐标

为第i个焊盘的第j条弧形键合引线t时刻于弧形键合引线上的位点，/>

S22：根据S21步骤实时采集得到的数据，计算引线键合系统的毛细管状键合头于水平坐标系下的实时x轴移动速度

S23：构建弧形键合引线实时移动过程中的气动平衡方程；

S24：在S23步骤构建的气动平衡方程的基础上，构建弧形键合引线路径规划模型：

S25：采用粒子群优化算法，迭代优化S24步骤构建的弧形键合引线路径规划模型，寻找t时刻弧形键合引线最优位点

本申请的引线键合采用热压焊的球形键合技术，本申请中的毛细管状键合头即相当于CN111048447A中的瓷嘴，或者现有技术也称其为焊针。

作为本发明的另一个优选实施例，S22步骤中计算引线键合系统的毛细管状键合头于水平坐标系下的实时x轴移动速度

作为本发明的另一个优选实施例，S23步骤中构建的弧形键合引线实时移动过程中的气动平衡方程如下：

其中，α(t)为第i个焊盘的第j条弧形键合引线于t时刻移动坐标系下的路径倾角，m为弧形键合引线的质量，g为重力加速度，一般为9.81m/s

作为本发明的另一个优选实施例，第i个焊盘的第j条弧形键合引线于t时刻移动坐标系下的路径倾角α(t)的计算公式如下：

作为本发明的另一个优选实施例，S25步骤中采用粒子群优化算法优化S24步骤构建的弧形键合引线路径规划模型，包括以下步骤：

S251：以t时刻弧形键合引线位点

/>

S252：初始化粒子参数矩阵，以已知第k+1代粒子更新速率

其中，已知第k+1代粒子更新速率

其中，

S253：以t时刻第k+1代最佳粒子参数矩阵

其中，

t时刻第k代最佳离子参数矩阵的更新函数值

更新最优点阈值ε的计算公式如下：

其中，

S254：重复步骤S251-S253，直至得到t时刻最优粒子参数矩阵：

本发明还提供一种根据如上方法封装得到的如图4-图7所示的外形结构的芯片封装结构。

本发明还提供一种采用如上方法的芯片封装装置，如图10所示，芯片封装装置包括用于引线键合的引线键合系统和主控制模块，引线键合系统包括带动引线夹于引线键合系统(相当于CN111048447A中的键合机)的三维水平坐标系内进行移动的X轴滑轨、X轴丝杠组件、X轴伺服电机、Y轴滑轨、Y轴丝杠组件、Y轴伺服电机、Z轴滑轨、Z轴丝杠组件和Z轴伺服电机，引线夹设置于键合机上，引线夹进一步带动毛细管状键合头于水平坐标系内进行三维运动，引线键合系统还包括控制引线夹于水平坐标系内进行三维偏转运动的第一伺服电机以及用于供给惰性气体的惰性气体供给装置；X轴伺服电机带动X轴丝杠组件于水平坐标系下的X轴滑轨移动，Y轴伺服电机带动Y轴丝杠组件于水平坐标系下的Y轴滑轨移动，Z轴伺服电机带动Z轴丝杠组件于水平坐标系下的Z轴滑轨移动；

引线键合系统还包括用于实时采集引线夹于水平坐标系内三维坐标

用于实时监测向上移动的力L(即真空张紧装置向上产生的拉力)的张力传感器，以及用于实时监测惰性气体供给装置供给气体时产生的阻力R的气体压力传感器；

用于实时监测由于向上移动的力L和阻力R抵消后形成的力F的作用下毛细管状键合头水平坐标系下的运动速度

引线键合系统的引线夹上部连接有用于张紧引线夹内引线的真空张紧装置，引线夹下部设置有毛细管状键合头；引线键合系统还包括设置于毛细管状键合头下部的打火杆用于第一焊接点和第二焊接点处引线键合时对毛细管状键合头引出的引线烧球；

引线键合系统的X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z伺服电机、第一伺服电机、真空张紧装置、打火杆、张力传感器、气体压力传感器、线速度传感器以及角速度传感器均与主控制模块电信号连接，主控制模块用于采用如上所述的芯片封装方法中S1步骤-S3步骤的引线键合方法规划的引线键合路径控制引线键合系统。

本发明提供的如上所述的引线键合方法，也可以存储于具有存储记忆功能的计算机介质中，并由具有该计算机介质的远程控制计算机实现主控制模块的工作，需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。