一文看懂芯片的封裝工藝（先進封裝篇1：倒裝封裝）

之前講了封裝的基礎知識，還有傳統(tǒng)封裝的工藝流程：寫給小白的芯片封裝入門科普、一文看懂芯片的封裝工藝（傳統(tǒng)封裝篇）

今天開始，連續(xù)三篇，小棗君重點講講先進封裝的工藝流程。

第1篇，先介紹一下倒裝封裝。

█ 倒裝封裝（Flip Chip）

業(yè)界普遍認為，倒裝封裝是傳統(tǒng)封裝和先進封裝的分界點。

上期我們提到，芯片封裝發(fā)展的第三階段（1990年代），代表類型是BGA（球形陣列）封裝。早期的BGA封裝，是WB（Wire Bonding，引線） BGA，屬于傳統(tǒng)封裝。

后來，芯片的體積越來越小，而單顆芯片內的焊盤數(shù)量越來越多（接近或超過1000個）。傳統(tǒng)的引線封裝，已經(jīng)無法滿足要求。

于是，采用倒裝技術替換焊線的FC BGA封裝，就出現(xiàn)了。

所謂“倒裝”，就是在晶粒上創(chuàng)造一些由焊料制成的“凸點”或“球”。然后，把晶粒反轉過來，讓凸點對準基板上的焊盤，直接扣在基板上。

通過加熱，讓熔融的凸點與基板焊盤相結合，實現(xiàn)晶粒與基板的結合。

WB BGA與FC BGA

我們來看看具體的工藝流程。

以FC BGA為例。前面減薄、切割、清洗、光檢，和WB BGA（傳統(tǒng)封裝）差不多。

要把晶粒與基板連在一起（后面會說，這叫“鍵合”），開始不一樣了。

第一步，是凸點制作（Bumping）。

倒裝封裝包括熱超聲、回流焊和熱壓三種工藝，其凸點分別使用金球、錫球和銅柱。

熱超聲，是在超聲和溫度的共同作用下, 將金凸點“粘”在基板的焊盤上。這種方式，適用于I/O密度較小的芯片。

回流焊，是在錫凸點表面涂覆助焊劑，再通過熱回流加熱，進行焊接。這種方式也適合I/O密度較?。ㄍ裹c間距40-50μm）的芯片。

熱壓（Thermal Compression Bonding，TCB），采用高深寬比、小尺寸的銅柱凸點，直接加熱粘結。這種方式能夠實現(xiàn)高密度互聯(lián)，適用于I/O密度較大（凸點間距40-10μm）的芯片。

金凸點的成本高。相比之下，銅柱凸點的電性能、散熱性能比較好，制備難度均衡，成本也比較低，所以用得比較多。

電子顯微鏡下的凸點

制作凸點的流程比較復雜。其實說白了，就是前面晶圓制造時的那套工藝，例如沉積、光刻、刻蝕等。

沉積包括UBM（Under Bump Metallization，凸點下金屬化層）的沉積和凸點本身的沉積。UBM位于凸點與芯片焊盤（金屬墊，Al pad鋁墊層）之間，起到增強凸點附著力、提高電導率和熱導率的作用。

UBM的沉積，通常采用濺射（Sputtering）、化學鍍（Electroless）、電鍍（Electroplating）的方式實現(xiàn)。

凸點本身的沉積，通常采用電鍍、印刷、蒸鍍、植球的方式實現(xiàn)（前兩者比較常見）。

大致的流程，看下面的示例圖應該能懂（不懂的話，可以回顧晶圓制造那一期的內容）：

比較特別的是，最后多了一個步驟——“回流”，把錫帽變成了子彈頭形狀。

第二步，是對準和貼裝。

簡單來說，就是使用精密的貼裝設備，將晶粒上的凸點與基板上的焊盤進行精確對準，然后通過回流焊等工藝，實現(xiàn)凸點與焊盤的連接。

回流焊的大致過程：

回流焊流程

先將晶粒（芯片）的凸點沾上助焊劑，或者在基板上加定量的助焊劑。助焊劑的作用，是去除金屬表面氧化物并促進焊料流動。

然后，用貼片設備將晶粒精準地放到基板上。

接下來，將晶粒和基板整體加熱（回流焊），實現(xiàn)凸點和焊盤之間的良好浸潤結合（溫度和時長需要嚴格控制）。

最后，清洗去除助焊劑，就OK了。

凸點數(shù)量較多、間距較小時，回流焊容易導致出現(xiàn)翹曲和精度問題。于是，這個時候就可以用熱壓（TCB）工藝。

熱壓流程

前文提到，熱壓（TCB）工藝非常適合更多凸點、更小凸點間距的芯片。它利用高精度相機完成芯片間的對準，并通過控制熱壓頭的壓力與位移接觸基座，施加壓力并加熱，實現(xiàn)連接。（后續(xù)我們講混合鍵合，會再提到熱壓。）

第三步，底部填充。

連接之后，大家會注意到，晶粒和基板之間的區(qū)域是空心結構。（芯片底部的焊球分布區(qū)，也叫C4區(qū)域，Controlled Collapse Chip Connection，“可控塌陷芯片連接”。）

為了避免后續(xù)出現(xiàn)偏移、冷焊、橋接短路等質量問題，需要對空心部分進行填充。

填充和傳統(tǒng)封裝的塑封有點像，使用的是填充膠（Underfill）。不僅能夠固定晶粒，防止移動或脫落，還能夠吸收熱應力和機械應力，提高封裝的可靠性。

底部填充工藝一般分為三種：毛細填充（流動型）、無流動填充和模壓填充。

一般來說，倒裝封裝都是以毛細填充為主。方法比較簡單：清洗助焊劑之后，沿著芯片邊緣，注入底部填充膠。底部填充膠借助毛細作用，會被吸入芯片和基板的空隙內，完成填充。

填充之后，還要進行固化。固化的溫度和時間，取決于填充膠的種類和封裝要求。

以上，就是倒裝封裝（凸點工藝）的大致流程。

相比傳統(tǒng)封裝，倒裝封裝的優(yōu)勢非常明顯：

1、能夠實現(xiàn)高密度的I/O電氣連接，有利于減小芯片的體積。
2、凸點連接，相比引線，可靠性也更強。
3、信號傳輸路徑大大縮短，減少寄生電容和電感，提高信號的完整性。
4、晶粒和基板直接接觸，熱量能夠快速傳導并散發(fā)出去。

凸點（bump）的制造過程與晶圓制造（前道）過程非常相似，本身又介于晶圓制造（前道）和封裝測試（后道）之間。所以，也被稱作“中道”工序。

后面會提到的TSV和RDL，也是中道工序。

最近這十幾年，先進封裝高速發(fā)展，凸點工藝也一直在演進。

從球柵陣列焊球（BGA Ball）到倒裝凸點（FC Bump），再到微凸點（μBump），凸點的尺寸在不斷縮小，技術難度也在不斷升級。

后續(xù)小棗君要提到的芯片堆疊、還有立體封裝（2.5D/3D），很多都是以凸點工藝為基礎。它的重要性不言而喻，請大家一定要注意。

3D封裝中的微凸點（μBump）

█?鍵合

插播一個概念——鍵合（Bonding）。

上期小棗君介紹了傳統(tǒng)封裝里的引線封裝。剛才，又介紹了倒裝封裝。

這種將晶圓和晶圓、晶圓和基板“粘貼”在一起的做法，有一個專門的名字，就是鍵合。

引線封裝，叫引線鍵合。倒裝封裝，叫倒裝鍵合。

除了這兩種鍵合之外，還有：載帶自動鍵合、混合鍵合、臨時鍵合等。

· 載帶自動鍵合

載帶自動鍵合（Tape Automated Bonding，TAB），是一種將芯片組裝到柔性載帶上的芯片封裝鍵合技術。

載帶自動鍵合與引線鍵合非常類似，主要區(qū)別在于引線鍵合中，芯片的載體是引線框架或者PCB基板。而載帶自動鍵合，用的是柔性載帶。

載帶自動鍵合

載帶既作為芯片的支撐體，又作為芯片與外圍電路連接的引線。

載帶自動鍵合包括以下5個步驟：

1、制作載帶：載帶其實就是銅箔材料。將銅箔貼合在聚酰亞胺膠帶上，經(jīng)過光刻和蝕刻，形成固定的、精細的導電圖形，并制作定位孔和引線窗口，就變成了載帶。

2、內引線鍵合（ILB，Inner Lead Bonding）：將預先形成焊點的芯片精確定位后，采用熱壓或熱超聲方式同時將所有內引線與芯片焊盤連接。

3、對準和貼裝：將芯片貼裝在基板上。

4、外引線鍵合（OLB，Outer Lead Bonding）：將載帶與基板或PCB對準，通常采用熱壓方式實現(xiàn)批量鍵合。

5、注塑保護：這個和引線鍵合流程差不多，就是形成保護層。

相比于引線鍵合，載帶自動鍵合適合高密度、細間距的封裝要求，具有不錯的電氣性能和散熱性能，適合LCD驅動器等高密度引線連接場合。

在傳統(tǒng)、低成本應用中，載帶自動鍵合憑借工藝簡單、技術成熟的特點，仍有一定優(yōu)勢。但現(xiàn)在都是更高性能、更高密度封裝時代，載帶自動鍵合在應用和普及上，肯定還是不如倒裝鍵合。

混合鍵合、臨時鍵合，這兩個概念非常重要。后續(xù)講到立體封裝時，小棗君會詳細介紹。

█ CSP（芯片級封裝）

再插播一個概念——CSP（Chip Scale Package，芯片級封裝）。

前面幾期里，提到過CSP，說CSP是芯片小型化封裝的一種方式。

CSP是BGA之后開始崛起的。主要原因，就是因為數(shù)碼產(chǎn)品小型化、便攜化，對芯片體積提出了要求。

CSP封裝，錫球間隔及直徑更小，芯片面積與封裝面積之比超過 1:1.14，已經(jīng)相當接近 1:1 的理想情況，約為普通BGA封裝的1/3。

和BGA一樣，CSP也分為WB CSP和FC CSP。

通常來說，F(xiàn)C CSP較多應用于移動設備（例如手機）的AP、基帶芯片。而FC BGA，較多應用于PC、服務器的CPU、GPU等高性能芯片。

這個知識點大家知道一下就好，不算重點。

好了，今天先講到這里。

明天是先進封裝的第2期，晶圓級封裝。后天是先進封裝的第3期，也是最后一期，2.5D/3D封裝。RDL、TSV/TGV、混合鍵合、臨時鍵合等關鍵概念，都會進行詳細介紹。

敬請期待！

參考文獻：1、《芯片制造全工藝流程》，半導體封裝工程師之家；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》，射頻學堂；4、《摩爾定律重要方向，先進封裝大有可為》，華福證券；5、《什么是芯片封裝中的底部填充膠》，半導體封裝工程師之家；6、《混合鍵合，會取代TCB嗎？》，半導體行業(yè)觀察；7、《一文了解載帶自動焊接(TAB)技術》，小陳婆婆，學習那些事；
8、《先進封裝之芯片熱壓鍵合簡介》，失效分析工程師趙工；9、《技術發(fā)展引領產(chǎn)業(yè)變革，向高密度封裝時代邁進》，華金證券；10、《先進封裝高密度互聯(lián)推動鍵合技術發(fā)展，國產(chǎn)設備持續(xù)突破》，東吳證券；11、《算力時代來臨，Chiplet 先進封裝大放異彩》，民生證券；12、《先進封裝設備深度報告》，華西證券；13、《芯片熱管理，倒裝芯片封裝“難”在哪？》，道芯IC；14、維基百科、百度百科、各廠商官網(wǎng)。