芯耀
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上一期介紹了芯片封裝的一些背景知識(shí)：寫(xiě)給小白的芯片封裝入門科普
今天這期，小棗君重點(diǎn)來(lái)聊聊封裝的具體工藝流程。
之前介紹了，封裝有很多種形式，包括傳統(tǒng)封裝和先進(jìn)封裝。
不同的封裝，流程和工藝不一樣。我整個(gè)寫(xiě)完之后，發(fā)現(xiàn)字?jǐn)?shù)太多（1萬(wàn)多字）。為了降低閱讀難度，我決定拆成兩篇（傳統(tǒng)封裝篇、先進(jìn)封裝篇）來(lái)發(fā)。
今天先發(fā)的，是傳統(tǒng)封裝篇。
█ 傳統(tǒng)封裝的工藝流程
傳統(tǒng)封裝，大致流程是這樣的：
我們一個(gè)個(gè)來(lái)看。
· 減薄
傳統(tǒng)封裝的第一步，是對(duì)晶圓進(jìn)行減?。ǎㄟ^(guò)研磨晶圓背面的方式，減少晶圓的厚度（從原始的600–800μm減薄到幾十至一百μm，甚至更?。?/p>
減薄的目的主要有三個(gè)：
一是減小芯片的尺寸，滿足封裝的要求。
二是獲得更好的散熱效果。
三是提升電學(xué)性能，降低寄生效應(yīng)（芯片過(guò)厚會(huì)增加寄生電容和信號(hào)傳輸延遲）和導(dǎo)通電阻。
減薄也需要注意，避免影響晶圓的機(jī)械強(qiáng)度，否則可能導(dǎo)致晶圓在后面的工藝中發(fā)生破裂。另外，減薄過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，也可能導(dǎo)致晶圓彎曲、報(bào)廢。
目前減薄所采用的工藝，就是晶圓制造那期說(shuō)的CMP機(jī)械化學(xué)研磨那些。
· 切割（劃片、鋸切、劃裂）
減薄之后，要開(kāi)始正式切割（Dicing）了。
切割前，在晶圓的正面覆蓋一層保護(hù)藍(lán)膜，以防止在切割過(guò)程中晶粒受損。
晶圓非常脆弱。隨著時(shí)間的推移，芯片的精密度越來(lái)越高，晶圓上芯片的間隙越來(lái)越小，對(duì)切割技術(shù)的要求也就隨之增加。
早期常用的切割方式，是機(jī)械切割。通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的超薄金剛石刀片，沿著晶圓上預(yù)先設(shè)定的溝槽（即晶圓劃線），就可以完成切割。
切割過(guò)程中，會(huì)用純水沖洗，進(jìn)行冷卻，同時(shí)去除碎屑。
機(jī)械切割比較簡(jiǎn)單、成本較低，但是，切割精度不高、速度慢、容易出現(xiàn)崩邊等問(wèn)題，所以，逐漸被淘汰。
后來(lái)，就有了激光切割，也就是通過(guò)高能量激光束進(jìn)行切割。
激光切割也分為全切和隱切兩種。
全切：激光束直接照射在晶圓表面，貫穿整個(gè)晶圓厚度，完全切斷晶圓。這種方法切割速率極快，但會(huì)產(chǎn)生碎屑和熱量，需要進(jìn)行清理和冷卻。
隱切：分為兩步，首先使用激光束聚焦于晶圓的內(nèi)部，在晶圓內(nèi)部形成微細(xì)的裂紋，而表面保持完整。然后，通過(guò)機(jī)械手段，均勻拉伸貼在晶圓背后的膠帶。隨著膠帶的擴(kuò)展，晶圓上的單個(gè)芯片沿著激光預(yù)切割的路徑分離開(kāi)來(lái)，完成切割。
激光隱切避免了傳統(tǒng)激光切割的熱損傷問(wèn)題，非常適用于超薄半導(dǎo)體硅片的高速和高質(zhì)量切割。
再后來(lái)，又出現(xiàn)了等離子切割。
它通過(guò)將氣體等離子化，使等離子與切割道內(nèi)的硅反應(yīng)，完成切割。
等離子切割速度快、損傷小，特別適用于超小尺寸芯片的切割。同時(shí)，它可以減少切割道的寬度，增加圓片設(shè)計(jì)的芯片數(shù)量，進(jìn)一步降低芯片成本。
· 貼片（粘連、粘接）
晶粒切割下來(lái)之后，需要進(jìn)行貼片（粘連，Die Attach）。
傳統(tǒng)封裝的貼片，是把晶粒和封裝基板（Substrate）粘接起來(lái)。
封裝基板，又叫IC載板，是一種特殊的PCB印刷線路板。
它具有高密度、高精度、輕薄化的特點(diǎn)，能夠?yàn)樾酒鸬街?、連接、散熱和保護(hù)的作用。
傳統(tǒng)封裝中常用的粘接方式包括膠粘劑粘接、焊接粘接、共晶粘接。
環(huán)氧樹(shù)脂，是常用的有機(jī)膠粘劑。通過(guò)熱固化，可以達(dá)到粘接目的。
環(huán)氧樹(shù)脂本身絕緣，如果摻入一定比例的銀粉，就具備了導(dǎo)電的能力，變成導(dǎo)電膠，也稱為銀膠，應(yīng)用更廣泛。
焊接粘接，是通過(guò)熔融焊料實(shí)現(xiàn)芯片與基板連接，包括軟釬焊（使用低熔點(diǎn)的焊料，如錫鉛合金）和硬釬焊（使用高熔點(diǎn)的焊料，如金硅合金）。
共晶粘接，利用兩種或多種金屬在共晶溫度下形成共晶合金，來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。連接強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好，但是工藝復(fù)雜、成本較高。
貼片會(huì)用到貼片機(jī)。貼片機(jī)也有很多種，包括SMT貼片機(jī)、先進(jìn)封裝貼片機(jī)等。
貼片對(duì)精度的要求很高，如果發(fā)生哪怕很小的偏差，都可能導(dǎo)致芯片無(wú)法工作。
在貼片的過(guò)程中，也需要考慮可能造成的機(jī)械損傷，以及貼片材料可能引起的熱傳導(dǎo)問(wèn)題（無(wú)法正常散熱）。
（再次提醒注意：這篇講的是傳統(tǒng)封裝?，F(xiàn)在普遍使用的是先進(jìn)封裝，工藝有很大的區(qū)別。大家千萬(wàn)不要生搬硬套。）
· 焊線
貼片之后，還要將晶粒與基板進(jìn)行電氣連接。
傳統(tǒng)封裝都是通過(guò)金屬線進(jìn)行連接，所以也叫焊線工藝。
焊線
焊接的時(shí)候，需要通過(guò)加熱、加壓和超聲波能量，破壞表面氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，使界面親密接觸，形成電子共享和原子擴(kuò)散，從而形成穩(wěn)定的焊點(diǎn)。
熱超聲焊過(guò)程
焊線所使用的材料，一般是金、銀、銅、鋁。
黃金具有導(dǎo)電性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定、球焊速度快、抗氧化、不與酸和堿發(fā)生反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，使用占比在不斷下降。
銀比金便宜，但也還是有點(diǎn)貴。
鋁雖然成本較低，但穩(wěn)定性較差，良率相對(duì)較低。
銅的成本和性能比較均衡，目前使用較為普遍（尤其是在中低端產(chǎn)品）。
· 清洗、光檢
清洗就不用說(shuō)了。
檢測(cè)，除了借助低倍放大鏡對(duì)產(chǎn)品外觀進(jìn)行檢查之外，還可以進(jìn)行AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）。
AOI檢測(cè)
AOI具有三大顯著優(yōu)勢(shì)：
一是檢測(cè)效率特別高，可實(shí)現(xiàn)每分鐘數(shù)百個(gè)元器件的全檢。
二是具備量化檢測(cè)能力，能記錄缺陷尺寸、位置等數(shù)據(jù)，便于工藝追溯與改進(jìn)。
三是可以檢測(cè)人眼難以識(shí)別的微觀缺陷，如焊點(diǎn)虛焊、微裂紋等。
在半導(dǎo)體封測(cè)領(lǐng)域，AOI一般有四次（四道）。
第一道光檢是晶圓檢測(cè)，第二道光檢是顆粒外觀缺陷檢測(cè)，第三道光檢貼片/引線鍵合檢測(cè)（就是現(xiàn)在這次），第四道光檢是塑封外觀檢測(cè)（待會(huì)會(huì)做）。
· 模封（塑封、注塑）
下一步，就要進(jìn)行模封。
這里要說(shuō)一下，根據(jù)材料的不同，封裝可以分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三種類型。
陶瓷封裝和金屬封裝的密封性好、散熱性好，但價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，所以主要用于航空航天和軍事領(lǐng)域。
塑料封裝的散熱性、穩(wěn)定性、氣密性相對(duì)較差，但是重量輕、體積小、價(jià)格便宜，所以目前仍然是民用商業(yè)化領(lǐng)域的主流選擇。
我國(guó)半導(dǎo)體封裝中，有90%以上采用塑料封裝。而在塑料封裝中，有97%以上利用環(huán)氧塑封料作為包封材料。
環(huán)氧塑封料（Epoxy Molding Compound，簡(jiǎn)稱EMC），全稱為環(huán)氧樹(shù)脂（就是前面貼片工藝提到的那個(gè)）模塑料，是用于半導(dǎo)體封裝的一種熱固性化學(xué)材料。它能夠很好地保護(hù)芯片，免受外界環(huán)境（水汽、溫度、污染等）的影響，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱、絕緣、耐濕、耐壓、支撐等復(fù)合功能。
模封有轉(zhuǎn)移成型和液態(tài)封裝兩種工藝。前者，是將環(huán)氧樹(shù)脂塑封料熔融，在壓力和溫度的作用下，注入模具中，把裸芯片給封起來(lái)。后者，主要用于超薄或柔性封裝。
為確保芯片的穩(wěn)定性和安全性，在一些特殊需求下，會(huì)在其上安裝一個(gè)金屬保護(hù)蓋，這一過(guò)程稱為L(zhǎng)id Attach。此保護(hù)蓋通常采用散熱性能優(yōu)異的合金制成。
· 去溢料（去飛邊）
模封之后，還要經(jīng)過(guò)去溢料（De-flash）工藝，目的是去除模封后在芯片周圍的溢料。
去溢料的方法，主要是弱酸浸泡，高壓水沖洗。
· 后固化
去溢料之后，是后固化（Post-Mold Cure）工藝，在150–180°C下烘烤數(shù)小時(shí)，使塑封材料完全固化，提升機(jī)械強(qiáng)度。
· 植球
對(duì)于傳統(tǒng)封裝里的BGA（球柵陣列）封裝，還要在芯片表面精確地放置焊料球（錫球），以實(shí)現(xiàn)芯片與電路板之間的電氣連接。這個(gè)工藝叫做植球。
這個(gè)球不是直接往基板上焊的，會(huì)用到錫膏或者助焊膏。
先用錫膏印刷到焊盤上，再在上面加上一定大小的錫球。這時(shí)，錫膏會(huì)粘住錫球。通過(guò)加熱升溫，可以讓錫球的接觸面更大，使錫球的受熱更快更全面。這就使錫球熔錫后與焊盤焊接性更好，降低虛焊的可能性。
（下期我們講先進(jìn)封裝Bumping凸點(diǎn)工藝的時(shí)候，還會(huì)再講到焊球。）
· 電鍍（浸錫）
為了提升管腳的導(dǎo)電性、可焊性并增強(qiáng)其耐腐蝕性，減少外界環(huán)境潮濕和熱的影響，會(huì)利用金屬和化學(xué)的方法，在管腳上鍍上一層錫、鎳、鈀、金等材料。
現(xiàn)在因?yàn)闅W盟Rohs的要求，一般都采用無(wú)鉛電鍍，用的是99.95%的高純度錫（Tin）。
無(wú)鉛電鍍后的產(chǎn)品，會(huì)要求在高溫下烘烤一段時(shí)間（退火），消除電鍍層潛在的晶須生長(zhǎng)（Whisker Growth）問(wèn)題。
· 切筋、成型（打彎）
切除多余框架材料。對(duì)于有引腳的封裝類型（如SOP、QFP），需要將引腳彎折成標(biāo)準(zhǔn)形狀。
· 成品測(cè)試
在封裝完成之后，會(huì)再次進(jìn)行測(cè)試。
在封裝工藝之前的測(cè)試，是晶圓檢測(cè)（CP，Circuit Probing），又稱中測(cè)。
在封裝工藝之后的測(cè)試，是成品測(cè)試（FT，F(xiàn)inal Test），又稱終測(cè)。
成品測(cè)試是針對(duì)封裝好的芯片，進(jìn)行設(shè)備應(yīng)用方面的全面檢測(cè)。這是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，旨在確保芯片在正式出貨前，其功能和質(zhì)量均達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。
與CP測(cè)試類似，F(xiàn)T測(cè)試同樣依賴于ATE自動(dòng)測(cè)試機(jī)臺(tái)設(shè)備，同時(shí)輔以測(cè)試版和分選機(jī)等工具，共同確保測(cè)試的精準(zhǔn)度和效率。
為了彌補(bǔ)ATE測(cè)試在復(fù)雜度和故障覆蓋率方面的不足，還會(huì)引入SLT系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。
SLT測(cè)試基于芯片的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)精心打造的測(cè)試板和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試流程，力求模擬出真實(shí)的業(yè)務(wù)流環(huán)境，從而將芯片產(chǎn)品的缺陷率降至更低，提升用戶的信任度。
· 打標(biāo)
測(cè)試結(jié)束之后，可以打標(biāo)（Marking）了。
通過(guò)激光打印的方式，在芯片表面印上芯片生產(chǎn)商的Logo、產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)批次等信息，方便后續(xù)使用過(guò)程中的辨識(shí)。
· 出廠
根據(jù)客戶的要求，將待測(cè)品從標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)分類包裝到客戶指定的包裝容器內(nèi)，并粘貼必要的商標(biāo)，就可以發(fā)貨出廠。要么是零售，要么是發(fā)給OEM廠商。
到這里，傳統(tǒng)封裝的流程就全部結(jié)束啦！
做好準(zhǔn)備，下一期，我們就來(lái)看看復(fù)雜n倍的先進(jìn)封裝！
參考文獻(xiàn)：1、《芯片制造全工藝流程》，半導(dǎo)體封裝工程師之家；2、《一文讀懂芯片生產(chǎn)流程》，Eleanor羊毛衫；3.、《不得不看的芯片制造全工藝流程》，射頻學(xué)堂；4、《一文了解引線鍵合》，失效分析工程師趙工；5、《摩爾定律重要方向，先進(jìn)封裝大有可為》，華福證券；6、《介紹晶圓減薄的原因、尺寸以及4種減薄方法》，Tom聊芯片智造；7、維基百科、百度百科、各廠商官網(wǎng)。
