谈CPU的封装及测试.docx
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谈CPU的封装及测试
编号
毕 业 设计（论文）
题目：
谈CPU的封装及测试
学生姓名：
__
学 号：
系别：
自动化工程系
专 业：
数控技术_
班 级：
数控10-2
指导教师：
_
四川交通职业技术学院
前言
电子技术，在中国这是一门新兴的学科，它涉及的面很广，涵盖了：
材料学、物理学、化学等科学、半导体技术、陶瓷技术、焊接技术、薄厚膜技术、真空技术、纳米技术及多种封装技术等等。
本文主要针对Intel成都公司CPU的封装测试相关工艺，对微电子技术的一些知识方向进行描述。
Intel作为拥有全球顶尖技术的CPU制造商，它的IC设计和封装技术不断推陈出新，带领着集成电路朝着低功耗、低成本、高集成度、高可靠性的方向发展。
而随着环境问题被世人越来越关注，IC的设计选材也开始考虑环境友好问题，Intel最新一代45纳米笔记本微处理器Penryn就已经停止使用含铅材料，且采用Hing-K材料后，能有效降低漏电流、提高集成度、降低电能损，耗延长电池续航能力。
英特尔笔记本处理器序列正在进行一次大规模的更新换代，尤其明显的是最低端的赛扬双核和最高端的新酷睿2双核。
将原本高阶的处理器放入低一阶的产品序列中，这在T1600身上表现得尤其明显。
英特尔于去年四季度推出基于45纳米Penryn架构的奔腾双核T4200处理器，、它无疑已拉开新老奔腾双核之间的差距，加快老款酷睿2处理器的退市速度。
45纳米新制程的奔腾双核T4000系列和酷睿2双核T6000系列将会一统中端主流市场.下一步,Intel计划将推出16nm的新架构，将更加体现上述优点。
目前，已知的16nm命名为Haswell的CPU，已在小规模生产中。
根据Intel最新规划，首16nm桌面双核心处理器Haswell及行动计算机双核心处理器将会于2013年上市，主要针对主流级，均内建绘图核心，主流级至效能四核心级短期内无意导入16nm，仍会由45nm桌面4核心Lynnfield及行动计算机4核心Clarksfield支撑，2013年下半年将推出全新6核心高阶桌面、服务器处理器Gulftown，取代Bloomfield处理器原有地位。
封装正朝着高频率，高信号强度，低能耗，微型化，低成本、优良散热性、适应复杂环境等方向发展。
Intel目前研发的CPU主要包括：
wolfdale、conroe、woodcrest、merom、penryn（3m/6m）、harpertown、Clarkdale、Nehalem。
通过对Intel的整个生产流程的一些了解，本文将对从封装到测试的每个站点进行介绍。
而老化作为Intel公司在CPU生产企业中独有的一个站点，它在生产中起到的是什么作用。
经老化后的产品有哪些优点都会在本文中介绍。
生产的基本操作，以及在生产过程中遇到故障如何排除，机器如何维护都会在后面进行详尽的描述
前言.................................。
。
。
。
。
.......................1摘要..............................................................4
第一章芯片的封装及测试工艺概述.....................6
第二章因特尔公司的封装及测试工艺..................7
2.1站点介绍
2.2SubmarkLasermark打码
2.3CAM芯片贴装
2.4DEFLUX去助焊剂
2.5EPOXY环氧树脂的注塑
2.6芯片测试
第三章因特尔公司的封装及测试工艺规程...........13
第四章CTL物料转换.......................................14
4.1CTL站点工艺目的、加工技术
4.2CTL站点设备结构介绍
4.2.1卸载机Uoloader/装载机Loader结构
4.2.2分拣机ACS结构
4.3人机工程学
4.4设备维护PM
第五章结论..................................................31
致谢.............................................................32
参考文献.......................................................33
摘要
中央处理器是英语“CentralProcessingUnit”的缩写，即CPU，CPU是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。
电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。
目前以Intel和AMD所生产的CPU占的市场份额较大，生产技术较前端。
中国区域现在主要以封装测试为主，还没有比较成熟的CPU制造技术。
我国自主研发的“龙芯”系列CPU，将打开中国在半导体领域的新篇章。
本文只要针对实习单位Intel的CPU部分封装测试工艺流程进行详细说明。
以流程为主线，针对低成本老化测试（LowCostBurnIn）站点的工艺进行了更细层次的讲述，包括老化的一些基本概念，老化在半导体生产中的主要作用，站点使用的设备介绍，设备的具体操作，常见设备故障的分析处理
[关键词]CPU封装测试低成本老化流程操作故障
Abstract
CPUistheEnglish“CentralProcessingUnit”oftheacronym,thatis,CPU,CPUistheheartofcomputeraccessories,matchboxonlysomuch,afewdozensheetsofpapersothick,butitisacomputercomputingcoreandcontrolcore.Computerisresponsibleforalloperationsbythecpucommandtoreadtheinstructiondecodingandexecutionofthecorecomponents.Atpresent,aslongasIntelandAMDaccountedforbytheproductionoftheCPUmarketsharelargerthanthefront-endproductiontechnology.Chinaregionalnowbasedmainlyinpackagingandtesting,thereisnomorematuremanufacturingtechnology.Chinaowndevelopment“Godson”seriesCPU,Chinawillopenanewchapterinthefieldofsemiconductors.Inthispaper,aslongastheinternformypartofIntelCPUforpackagingandtestingprocessindetail.Toprocessthemainline,theagingtestforlow-cost（LowCostBurnIn）siteoftheprocessinmoredetailaboutthelevel,includingsomeofthebasicconceptsofaging,thesiteintroducedtheuseoftheequipment,theconcreteoperationofequipment,commonequipmentfailureanalyticalprocessing.
[KeyWord]CPUAssemblyTest（LowCostBurnIn）ProcessOperationFault
第一章芯片的封装及测试工艺概述
芯片封装技术
90年代至21世纪初时我国有计划经济向社会主义市场经济过渡的重要时期，初步建立新的经济体系，也是国际产业重组、国际分工不断深化、科学技术突飞猛进发展的时期，世界各国都在把提高产业竞争力和发展高新技术抢占未来经济至高点作为科技工作的主攻方向。
在经济和科学技术方面我国与世界各国日益紧密，中国市场与国际市场进一步接轨，面对国内外激烈的市场竞争，企业对技术的需求将更加强化和迫切，先进制造技术将得到更大的重视，机械工业科技发展正面临着挑战与机遇并存的新形势。
我们故要抓住机遇，迎接挑战，坚决贯彻“以科技为先导，以质量为主体”的方针，进一步推动机械工业的振兴。
我们就必须不断的开发自己的大脑设计出更加科学更加便捷的制造方法和方案。
不断提高企业的产品自主开发能力和制造技术水平。
第二章因特尔公司的封装及测试工艺
2.1站点介绍
如图所示，每个方框代表一个站点，因特尔的CPU封装测试是一个有着复杂工序的过程，这个过程就是通过各个站点有机的结合起的。
每个站点有着它自己的工艺目的。
2.2SubmarkLasermark打码
打码的工艺目的是用于标记。
通过打码给每颗芯片一个标记，就相当于“身份证”，这样就便于产品的追踪。
当在生产过程中出现了混料，质量缺陷等情况时，可以通过这个标记追查产品在哪个地方出现的问题。
这样有了问题及时解决，提高了产品的可靠性。
不同产品的标记可能是黑色，灰色，铜标记中的一种。
标记的作用：
1.提供产品追踪信息。
2.向客户提供产品信息。
2.3CAM芯片贴装
通过模版印刷和喷涂的方式在基片的贴装区域印制或者喷涂足够的助焊剂，然后读取基片表面上的2Dmatkix信息以跟踪基片。
再把芯片和基片精确的粘贴在一起然后通过回流焊接形成电连接。
在粘贴的时候会造成芯片贴歪的情况，造成这种情况的原因可能是助焊剂过多或者机器的数据不正确。
因此每天测助焊剂的厚度和收集数据时都要仔细，保证数据正常。
这里的芯片贴装方法属于导电胶粘贴法。
导电胶是大家熟悉的填充银的高分子材料聚合物，是具有良好导热导电性能的环氧树脂。
芯片粘贴后，用导电胶固化要求的温度时间进行固化，可在洁净的烘箱中完成固化，操作起来简便易行。
因此成为塑料封装常用的芯片粘贴法。
以下有三种导电胶的配方可以提供所需要的电互联：
1，各向同性材料，它能沿所有方向导电，代替热敏元件上的焊料，也能用于需要接地的元器件。
2，导电硅橡胶，它能有助于保护器件免受环境的危害。
3，各向异性导电聚合物，它只允许电流沿某一方向流动，提供倒装芯片元器件的电连接和消除应变。
2.4DEFLUX去助焊剂
这个站点的作用就是为了去除芯片回流以后残余在芯片和基片之间的助焊剂和为溶助焊剂，因为助焊剂和残余会减弱环氧树脂和芯片或基片之间的粘连，因此要去除助焊剂对芯片的危害。
助焊剂冲洗机的结构图形如图2.4：
图2.4助焊剂冲洗机的示意图
它总共分为6个区：
B:
冲洗区对产品的冲洗清洗掉助焊剂主要是去除多余助焊剂。
C:
预漂洗区对产品进行初步的漂洗
D:
漂洗区在次清洗助焊剂和杂质让产品更干净
E:
最终漂洗区最后对产品进行清洗
F:
吹干区用风吹干产品上面的水
G：
烘干区把产品的水分充分的烘干，不让水分对产品产生影响
这6个区就是冲洗机的主要组成。
产品的经过清洗——漂洗——烘干的主要过程。
清洗有一个区，而漂洗有三个区，烘干有两个区它们共同组成机器的6
个区域。
2.5EPOXY环氧树脂的注塑
它分为EPOXY:
Underfill环氧注塑和EPOXY:
Cure烘烤。
EPOXY:
Underfill
就是把经过烘烤后的产品把环氧树脂注入到芯片和基片之间以保护焊接点。
而EPOXY:
Cure是固化环氧树脂，通过固化炉固化环氧树脂为芯片和基片之间的焊球提供结构化支撑。
下面是经过EPOXY过后是CPU如图2.5：
图2.5环氧树脂的注塑
环氧树脂的作用：
首先环氧树脂可以保护芯片免受环境影响，耐受机械振动和冲击，在此之前因为只有接触点连接作用，在环境（温度）变化或者收到冲击的时候，接触点很容易发生断裂现象，从而出现可靠性问题；其次环氧树脂可以减小芯片于基片间热膨胀失配的影响，起到缓冲的作用。
同时环氧树脂可以使得应力和应变再分配，减小芯片中心用四角部分凸点连接处应力和应变过于集中。
这样，环氧树脂作用下，元器件的可靠性可以得到提高。
通过环氧树脂的作用可以推断出来作为合格的环氧树脂填充料应至少具有以下的要求：
（1）填料无挥发性，否则可能导致机械失效。
（2）应尽可能减小以消除应力失配。
（3）为避免基片产生变形，固化温度要低。
因为高的固化温度不但可能引起基片的变形，还可能对芯片造成损坏。
（4）填料的粒子尺寸应小于倒装芯片于基片间的间隙。
（5）在填充温度下的填料粘滞性要低，流动性要好。
（6）填料应具有较高的弹性模量用弯曲强度，求确保喊节点不会断裂。
（7）在高温高湿的环境下，填料的绝缘电阻要高，以免产生短路现象。
2.6芯片测试
在芯片完成这个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量和可靠性两方面的检测。
质量检测主要是检测封装后芯片的可用性，封装后的质量和性能情况，而可靠性则是对封装的可靠性相关参数的测试。
在封装芯片做T/C测试的时候，有4个参数，分别为热腔温度，冷腔温度，循环次数，芯片单次单腔停留时间。
如表2.6所示的参数代表T/C测试时把封装后的芯片放在150°C的热炉15分钟，再通过阀门放入-65°C的冷炉15分钟，再放入热炉，如此反复1000次。
之后测试电力路性能以检测是否通过T/C可靠性测试。
表2.6温度循环测试参数表
温度
时间
次数
150°/-65°
15分/各区
1000次
从T/C的测试方式可以看出，T/C测试的主要目的是测试半导体封装体热胀冷缩的耐久性。
T/S测试即测试封装体抗热冲击的能力。
HTS测试，是测试封装体长时间暴露在高温环境下的耐久性试验。
HTS测试是把封装产品长时间放置在高温氮气炉中，然后测试它的电路通断情况。
HTS测试的重点是因为在高温条件下，半导体构成物质的活化性增强，会有物质间的扩散，从而导致电气的不良发生，另外因为高温，机械性较弱的物质也容易顺坏。
TH测试，是测试封装在高温潮湿环境下的耐久性试验。
实验结束时也是靠测定封装体电路的通断特性来判断产品是否具有优良的耐高温湿性。
PC测试，是对封装体抵抗抗潮湿环境能力的测试，也是测试产品的电路通断性能。
因特尔的CPU测试站点有：
1，LCBI老化测试。
工艺目的是将产品在高温和高压的环境下进行测试，看是否仍能发挥出稳定性能。
用以测试产品的可靠性。
2，CMT电性能测。
3，PPV系统测试。
用于测试产品的整体性能。
4，OLF离线锁频。
通过机器锁定CPU的频率使产品有一个好的工作频率。
该过程主要是通过两个并联的12V电源熔断掉芯片中某条电路的某个电容，达到物理上的熔断，不可恢复。
图2.6是OLF使用的设备OLF4000
图2.6OLF4000
图2.1所示为由LKT公司制造的OLF4000，其主要作用是锁频，把芯片的频率锁定在一定范围，避免超倍频。
第三章因特尔公司的封装及测试工艺规程
熟悉整个封装工艺流程是认识封装技术的基础和前提，唯有如此才可以对封装进行设计，制造和优化。
封装流程一般可以分成两个部分：
用塑料封装（固封）
之前的工艺步骤称为前段操作，在成型之后的工艺步骤称为后段操作。
因特尔成都产品有限公司的CPU封装属于后段操作，其主要作用是将已经封装好的芯片与基板连接起来形成一个具有完整电气功能的产品，然后再通过电气性能等测试挑选出有缺陷的产品，最后输出给客户。
其工艺流程包括了封装和测试两部分，因此与一般的流程是不大相同的。
第四章CTL物料转换
4.1CTL站点工艺目的、加工技术
CTL即物料转换，它是芯片封装中一道重要的工序。
在生产过程中，有很多辅助材料比如盛装芯片的料盘，而料盘又分为很多种，不同的料盘有不同的作用。
一般料盘分为两种：
1，能够在高温中烘烤的carrier;2,适用于常温的tray；
而CTL站点的工艺目的就是将芯片从carrier里面转移到tray
图4.1是辅助材料carrier
图4.1辅助材料carrier
如图4.1所示是辅助材料carrier料盘。
它是用金属所做，能够承受高温。
通常，当芯片需要在高温中烘烤时就盛装在carrier料盘上面。
图4.2是辅助材料tray料盘
图4.2辅助材料tray
如图4.2所示是辅助材料tray，它是由塑料所做，不能在高温中烘烤，但是具有轻巧的有点，适合在常温下搬运。
通常，芯片不需要烘烤后就盛装在tray料盘中。
Tray根据盛装的芯片不同有很多种。
如图4.2是三种常见的tray盘，区分的标志是每个小格子的长和宽。
35mm*35mm的tray用于盛装笔记本CPU；37.5mm*37.5mm用于盛装加了散热盖的CPU；35mm*35mm的用于BGA封装的CPU。
4.2CTL站点设备结构介绍
CTL站点主要用到两种设备。
他们实现的功能都是将CPU从carrier转移到tray。
区别是执行速度的快慢等。
图4.3是由LKT公司生产的TMT设备
图4.3TMT设备
图4.3是CTL站点的一种设备，中间TMT是由日本LKT公司生产制造的。
日本LKT公司是一家从事于工业自动化控制的企业，与因特尔是良好的合作伙伴。
该设备主要由三个部分组成：
1，左边的卸载机即UnloaderLKT，该设备也是由日本LKT生产制造；2，中间的分拣机TMT；3右边的装载机LoaderLKT。
该设备是一台比较老式的设备，目前在英特尔已经少用，正在逐渐被由GROHMANN公司生产的ACS所代替。
而LKT也逐渐被HIRATA所代替。
图4.4也是CTL的一种设备，该设备实现的功能与TMT一样，不同的是该设备使用了两个机械手，分拣速度更快速。
而且在很多细小地方都比TMT先进。
该设备是由德国GROHMANN公司生产制造，具有分拣速度快，自动化程度高，放置精度高，且能够自动调整误差等优点。
图4.4由GROHMANN公司生产地ACS
图4.4是由GROHMANN公司制造的ACS设备。
该设备由以下部分组成：
1．左边的卸载机Uoloader，该设备是由日本LKT公司制造，名为HIRATA。
2．中间的ACS分拣机，该设备由德国GROHMANN公司制造。
3．右边的装载机Loader，该设备同左边的设备是相同的。
图4.5是该设备外部结构：
图4.5卸载机Unloader/装载机Loader
图4.5是CTL站点所使用的一种设备，名为HIRATA，由日被LKT公司制造。
其功能主要是卸载和装载盛装芯片的料盘。
HIRATA设备结构分为几部分：
1.车的升降部分。
图4.6是车的升降部分示意图：
图4.6车的升降部分
图4.6为车的升降部分。
该部分由两个升抬手臂，两个电机，一个车缓冲器以及传感器组成。
当高温车或常温车进入设备内部时，由传感器感应到发出信号后，两个电机驱动升抬手臂将高温车或常温车抬起固定。
2．车的传送部分
图4.7为车的传送部分
图4.7车的传送部分
图4.7为车的传送部分，由3个电机，两个耦合器以及传感器组成。
中间的电机驱动耦合器的凸出和凹进，当高温或常温车推进设备内部时，由这个电机驱动耦合器凸出把车的上下两层链条耦合起。
上下两个电机驱动耦合器的转动，当耦合器与车的上下两层链条耦合起的时候，由这两个电机驱动耦合器使得链条转动，达到产品箱进出的目的。
3．机械手部分
图4.8为抓取产品箱部分
图4.8机械手
图4.8为机械手。
该部分由一个电机，一个机械手以及传感器组成。
由电机驱动机械手的伸缩抓取产品箱。
4．Carrier料盘传送
图4.9为Carrier料盘的传送部分
图4.9Carrier料盘传送部分
图4.9为Carrier料盘传送部分。
该部分由两根皮带和一个电机以及传感器组成。
由电机带动皮带转动，使得Carrier料盘进出。
以上4部分为HIRATA设备的结构。
除此之外，还有一个触摸显示屏控制软件
图4-10控制软件
图4-10为HIRATA设备控制软件，该软件主要实现的功能有：
a,查看所有传感器状态。
当设备出现故障时，可以通过查看传感器的状态来判断出现故障的地方。
b，控制电机的转动。
有时设备出现故障时，需要人为控制电机转动来测试或控制。
c，调整设备位置。
通过调整设备各部分位置使得设备各部分能够和谐的，稳定的，默契的工作。
4.2.2分拣机ACS结构
该设备由德国GROHMANN公司制造。
相比TMT设备而言，它具有分拣速度快，自动化程度高，放置精确等优点。
图4-11为ACS外观图
图4-11ACS外观图
图4-11为ACS外观图。
该设备具有分拣速度快，自动化程度高，放置精确等优点，已经逐渐取代由LKT公司制造的TMT设备。
该设备由以下部分组成：
1，电脑。
该设备用到两个电脑：
控制电脑和图像处理电脑。
两个电脑共用一个显示器，如图4-11所示。
图像处理电脑处理生产过程中抓取的图像，然后将结果传给控制电脑，通过它控制设备的运行。
2，饲喂部分Feeder。
如图4-12所示。
图4-12饲喂机部分Feeder
图4-12为ACS设备的饲喂部分Feeder。
该部分的主要功能是添加料盘Tray和出产品。
图4-13为此部分的结构图
图4-13饲喂部分结构图
图4-13为饲喂部分结构图。
主要由上下两层堆栈区和两个升降台构成。
上层堆栈区用来存放需要进入设备的料盘Tray。
下层堆栈区用来存放需要出来的产品。
通过两个升降台进行调节。
3，机械手。
机械手主要用来抓取，分拣芯片。
机械手部分是整个设备中最昂贵的部分，也是最为先进的部分。
机械手的优点：
a，内置一个非常精密的光栅尺，通过对光栅尺上的刻度的读取达到精确定位。
b，机械手通过电磁感应原理和气的推动来控制吸头的升降和旋转。
c，机械手抓取芯片的力度可以很好的调节，避免损伤芯片。
图4-14为机械手的外观图
图4-14机械手外观图
4，Userinterface软件
该软件主要控制设备的运行，调试。
它主要具有如下功能：
a，查看传感器状态
b，控制输出，包括电机转动，升降台的升降等
c，调整设备的机器参数。
设备运行了较长时间后，因为震动等原因会发生微小的偏移，虽然偏移量小但是影响设备的精确度，这个时候，需要调整设备的机器参数使设备重新稳定地，精确地运行。
d，测试设备各部分的好坏。
5，图像处理软件Visionsoftware
在生产过程中设备会抓取很多图像
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