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一文看懂芯片的封装工艺(传统封装篇)

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 。片的亿华云

今天先发的封装封装 ,是工艺传统封装篇。

传统封装的传统工艺流程

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(从原始的云计算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 ,高防服务器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

切割(划片、锯切  、模板下载划裂)

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 。

早期常用的服务器租用切割方式,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 ,免费模板切割精度不高 、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 、光检

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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去溢料(去飞边)

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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成品测试

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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出厂

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。

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