今天这期,懂芯小枣君重点来聊聊封装的片的篇具体工艺流程 。
之前介绍了 ,封装封装封装有很多种形式,工艺包括传统封装和先进封装。传统
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不同的懂芯封装,流程和工艺不一样。片的篇我整个写完之后 ,封装封装发现字数太多(1万多字) 。工艺为了降低阅读难度,传统我决定拆成两篇(传统封装篇 、懂芯先进封装篇)来发 。片的服务器租用篇
今天先发的封装封装,是工艺传统封装篇。
传统封装,大致流程是这样的:
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我们一个个来看。
减薄传统封装的第一步,是对晶圆进行减薄()——通过研磨晶圆背面的方式,减少晶圆的厚度(从原始的模板下载600–800μm减薄到几十至一百μm ,甚至更薄) 。
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减薄的目的主要有三个 :
一是减小芯片的尺寸,满足封装的要求 。
二是获得更好的散热效果 。
三是提升电学性能,降低寄生效应(芯片过厚会增加寄生电容和信号传输延迟)和导通电阻 。
减薄也需要注意 ,建站模板避免影响晶圆的机械强度,否则可能导致晶圆在后面的工艺中发生破裂 。另外,减薄过程中产生的热应力,也可能导致晶圆弯曲 、报废。
目前减薄所采用的工艺 ,就是晶圆制造那期说的CMP机械化学研磨那些 。
减薄ing
减薄之后 ,要开始正式切割(Dicing)了 。
切割前,在晶圆的正面覆盖一层保护蓝膜,以防止在切割过程中晶粒受损。
晶圆非常脆弱。随着时间的推移,芯片的精密度越来越高,晶圆上芯片的间隙越来越小,对切割技术的要求也就随之增加 。
早期常用的亿华云切割方式 ,是机械切割。通过高速旋转的超薄金刚石刀片,沿着晶圆上预先设定的沟槽(即晶圆划线) ,就可以完成切割。
切割过程中 ,会用纯水冲洗 ,进行冷却 ,同时去除碎屑。
机械切割比较简单、成本较低,但是 ,源码下载切割精度不高、速度慢 、容易出现崩边等问题,所以,逐渐被淘汰 。

后来,就有了激光切割 ,也就是通过高能量激光束进行切割 。
激光切割也分为全切和隐切两种 。
全切:激光束直接照射在晶圆表面 ,贯穿整个晶圆厚度 ,完全切断晶圆。这种方法切割速率极快,但会产生碎屑和热量,需要进行清理和冷却 。
隐切:分为两步,首先使用激光束聚焦于晶圆的内部,在晶圆内部形成微细的裂纹,而表面保持完整 。然后 ,通过机械手段,均匀拉伸贴在晶圆背后的胶带。随着胶带的扩展 ,晶圆上的单个芯片沿着激光预切割的路径分离开来,完成切割。
激光隐切避免了传统激光切割的热损伤问题 ,非常适用于超薄半导体硅片的高速和高质量切割 。
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再后来 ,又出现了等离子切割 。
它通过将气体等离子化,使等离子与切割道内的硅反应,完成切割。
等离子切割速度快、损伤小,特别适用于超小尺寸芯片的切割。同时,它可以减少切割道的宽度 ,增加圆片设计的芯片数量,进一步降低芯片成本。
贴片(粘连 、粘接)晶粒切割下来之后 ,需要进行贴片(粘连,Die Attach)。
传统封装的贴片,是把晶粒和封装基板(Substrate)粘接起来 。
封装基板 ,又叫IC载板,是一种特殊的PCB印刷线路板 。
它具有高密度 、高精度 、轻薄化的特点,能够为芯片起到支撑 、连接 、散热和保护的作用。
传统封装中常用的粘接方式包括胶粘剂粘接 、焊接粘接、共晶粘接 。
环氧树脂,是常用的有机胶粘剂。通过热固化 ,可以达到粘接目的。
环氧树脂本身绝缘,如果掺入一定比例的银粉 ,就具备了导电的能力 ,变成导电胶,也称为银胶,应用更广泛。
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焊接粘接,是通过熔融焊料实现芯片与基板连接 ,包括软钎焊(使用低熔点的焊料,如锡铅合金)和硬钎焊(使用高熔点的焊料 ,如金硅合金)。
共晶粘接 ,利用两种或多种金属在共晶温度下形成共晶合金,来实现连接 。连接强度高 、导热性能好 ,但是工艺复杂、成本较高 。
共晶粘接
贴片会用到贴片机。贴片机也有很多种,包括SMT贴片机、先进封装贴片机等 。
贴片对精度的要求很高 ,如果发生哪怕很小的偏差 ,都可能导致芯片无法工作。
在贴片的过程中 ,也需要考虑可能造成的机械损伤 ,以及贴片材料可能引起的热传导问题(无法正常散热) 。
(再次提醒注意:这篇讲的是传统封装。现在普遍使用的是先进封装,工艺有很大的区别 。大家千万不要生搬硬套 。)
焊线贴片之后 ,还要将晶粒与基板进行电气连接。
传统封装都是通过金属线进行连接 ,所以也叫焊线工艺。
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焊线
焊接的时候,需要通过加热 、加压和超声波能量 ,破坏表面氧化层和污染 ,产生塑性变形,使界面亲密接触,形成电子共享和原子扩散,从而形成稳定的焊点 。
热超声焊过程
焊线所使用的材料,一般是金、银、铜、铝。
黄金具有导电性能好、化学性能稳定、球焊速度快、抗氧化、不与酸和碱发生反应等优点,但价格昂贵,使用占比在不断下降。
银比金便宜,但也还是有点贵。
铝虽然成本较低,但稳定性较差 ,良率相对较低。
铜的成本和性能比较均衡,目前使用较为普遍(尤其是在中低端产品) 。
高密度引线的示例
清洗就不用说了 。
检测,除了借助低倍放大镜对产品外观进行检查之外 ,还可以进行AOI(自动光学检测)。
AOI检测
AOI具有三大显著优势:
一是检测效率特别高 ,可实现每分钟数百个元器件的全检。
二是具备量化检测能力 ,能记录缺陷尺寸、位置等数据,便于工艺追溯与改进 。
三是可以检测人眼难以识别的微观缺陷,如焊点虚焊、微裂纹等 。
在半导体封测领域,AOI一般有四次(四道)。
第一道光检是晶圆检测 ,第二道光检是颗粒外观缺陷检测,第三道光检贴片/引线键合检测(就是现在这次) ,第四道光检是塑封外观检测(待会会做) 。
模封(塑封 、注塑)下一步 ,就要进行模封。
这里要说一下 ,根据材料的不同,封装可以分为塑料封装 、陶瓷封装和金属封装三种类型 。
陶瓷封装和金属封装的密封性好 、散热性好,但价格昂贵、生产周期长,所以主要用于航空航天和军事领域 。
塑料封装的散热性、稳定性 、气密性相对较差 ,但是重量轻 、体积小、价格便宜 ,所以目前仍然是民用商业化领域的主流选择。
我国半导体封装中 ,有90%以上采用塑料封装。而在塑料封装中,有97%以上利用环氧塑封料作为包封材料 。
环氧塑封料(Epoxy Molding Compound,简称EMC),全称为环氧树脂(就是前面贴片工艺提到的那个)模塑料,是用于半导体封装的一种热固性化学材料 。它能够很好地保护芯片,免受外界环境(水汽、温度 、污染等)的影响 ,实现导热、绝缘、耐湿、耐压 、支撑等复合功能 。
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模封有转移成型和液态封装两种工艺 。前者,是将环氧树脂塑封料熔融,在压力和温度的作用下 ,注入模具中 ,把裸芯片给封起来。后者 ,主要用于超薄或柔性封装。
为确保芯片的稳定性和安全性 ,在一些特殊需求下 ,会在其上安装一个金属保护盖,这一过程称为Lid Attach。此保护盖通常采用散热性能优异的合金制成。
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模封之后,还要经过去溢料(De-flash)工艺,目的是去除模封后在芯片周围的溢料。
去溢料的方法 ,主要是弱酸浸泡,高压水冲洗 。
后固化去溢料之后,是后固化(Post-Mold Cure)工艺,在150–180°C下烘烤数小时,使塑封材料完全固化,提升机械强度 。
植球对于传统封装里的BGA(球栅阵列)封装 ,还要在芯片表面精确地放置焊料球(锡球),以实现芯片与电路板之间的电气连接 。这个工艺叫做植球 。
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这个球不是直接往基板上焊的 ,会用到锡膏或者助焊膏。
先用锡膏印刷到焊盘上 ,再在上面加上一定大小的锡球 。这时,锡膏会粘住锡球。通过加热升温 ,可以让锡球的接触面更大,使锡球的受热更快更全面 。这就使锡球熔锡后与焊盘焊接性更好,降低虚焊的可能性。
(下期我们讲先进封装Bumping凸点工艺的时候 ,还会再讲到焊球。)
电镀(浸锡)为了提升管脚的导电性 、可焊性并增强其耐腐蚀性,减少外界环境潮湿和热的影响 ,会利用金属和化学的方法,在管脚上镀上一层锡 、镍、钯、金等材料。
现在因为欧盟Rohs的要求 ,一般都采用无铅电镀,用的是99.95%的高纯度锡(Tin)。
无铅电镀后的产品,会要求在高温下烘烤一段时间(退火),消除电镀层潜在的晶须生长(Whisker Growth)问题。
切筋、成型(打弯)切除多余框架材料。对于有引脚的封装类型(如SOP 、QFP),需要将引脚弯折成标准形状。
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在封装完成之后 ,会再次进行测试 。
在封装工艺之前的测试 ,是晶圆检测(CP ,Circuit Probing),又称中测。
在封装工艺之后的测试,是成品测试(FT ,Final Test) ,又称终测。
成品测试是针对封装好的芯片,进行设备应用方面的全面检测 。这是一个重要环节 ,旨在确保芯片在正式出货前 ,其功能和质量均达到预期标准。
与CP测试类似 ,FT测试同样依赖于ATE自动测试机台设备 ,同时辅以测试版和分选机等工具,共同确保测试的精准度和效率 。
为了弥补ATE测试在复杂度和故障覆盖率方面的不足,还会引入SLT系统级测试。
SLT测试基于芯片的实际应用场景进行设计 ,通过精心打造的测试板和严谨的测试流程 ,力求模拟出真实的业务流环境,从而将芯片产品的缺陷率降至更低,提升用户的信任度。
打标测试结束之后,可以打标(Marking)了。
通过激光打印的方式 ,在芯片表面印上芯片生产商的Logo 、产品名称 、生产批次等信息 ,方便后续使用过程中的辨识。
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根据客户的要求,将待测品从标准容器内分类包装到客户指定的包装容器内,并粘贴必要的商标,就可以发货出厂。要么是零售,要么是发给OEM厂商。