简要介绍了芯片封装的基本流程,为了更直观的理解这一过程,本文将以传统封装的芯片为例,通过一系列图片,逐步展示芯片封装的12步关键环节。
▲ 芯片封装流程
1. 来料检查(Incoming Inspection)
来料检查,也称为IQC(Incoming Quality Control),是确保原材料质量的关键步骤。来料检查主要是对晶圆、引线框架、焊线和封装材料等进行外观、尺寸、电性能和成分的检测,确保它们符合设计要求,避免后续封装出现问题。
▲ 晶圆来料检查
以晶圆为例,需要使用光学显微镜检查其外观是否有污染、划痕或裂纹;使用轮廓仪或激光测距仪测量其厚度和翘曲度;还需做电性能测试、成分分析等。
2. 晶圆减薄(Wafer Backgrinding)
晶圆减薄,又称为Wafer Thinning,就是使用金刚石砂轮对晶圆基材进行磨削,通常是从初始的500~700um厚度减至50~300μm。晶圆减薄的目的是降低封装高度,提高芯片散热效率,优化电性能以及减小晶圆切割的加工量。
▲ 晶圆减薄过程
3. 晶圆贴膜(Wafer Mounting)
晶圆贴膜就是将胶带(如UV胶带或蓝膜)贴合至晶圆背面,然后再固定于金属环上的过程,其作用是防止切割过程中芯片散落。胶带需具备高粘性以固定芯片,同时允许切割后通过紫外线照射或机械扩张降低粘性,便于后续芯片拾取。
▲ 晶圆贴膜所需材料
▲ 晶圆贴膜过程
4. 晶圆切割(Wafer Dicing)
晶圆切割,又称Wafer Sawing,是将整片晶圆分割成一个个裸芯片(Die)的过程。常用的切割方法有刀片切割和激光切割两种。刀片切割采用高速旋转的金刚石刀片进行机械切割,适用于常规硅基晶圆,具有成本低、效率高的优势。切割时配合高精度光学对准系统(±1μm)和去离子水冷却,可确保切割质量。
▲ 刀片切割示意图
▲ 晶圆的刀片切割
对于厚度小于50μm的超薄晶圆或脆性材料(如GaAs、SiC)晶圆,则更适合采用激光切割。这种非接触式切割方式能避免机械应力损伤,实现更窄的切割道(<10μm),但是设备成本较高。
▲ 晶圆的激光切割
▲ 切割后的晶圆(左)与切割位置放大图(右)
5. 芯片贴装(Die Attaching)
芯片贴装,又称为Die Bonding,俗称为固晶。具体来说就是将裸芯片(Die)通过导电胶或焊料精确固定到引线框架上。芯片贴装一般包括芯片拾取、胶水涂敷、芯片放置和焊接固化四个步骤。
▲ 芯片贴装示意图
如下图,芯片拾取是使用真空吸嘴从蓝色切割膜上吸取裸芯片,然后利用高精度视觉系统调整位置,确保芯片与引线框架的对齐。
▲ 芯片拾取与放置
胶水涂敷是采用点胶或印刷工艺将导电胶或焊料均匀涂布在引线框架的指定区域,后续还有芯片放置和固化步骤。
▲ 胶水涂敷设备
6. 引线键合(Wire Bonding)
引线键合是键合技术的一种,与之并列的还有倒装芯片键合(Flip Chip)、载带自动键合(TAB)和混合键合(Hybrid Bonding),详见:芯片封装键合技术简介。
引线键合就是利用热、压力或超声波,通过细金属引线将芯片的焊盘与引线框架的焊盘连接起来。它主要使用球形键合(Ball Bonding)和楔形键合(Wedge Bonding)两种焊接方式,简称为球焊和楔焊。
▲ 使用球焊和锲焊的引线键合
球形键合(Ball Bonding)是通过高温电弧将金属线(如金线)末端熔化成球,并压焊到芯片焊盘上形成电气连接的技术。其特点是键合点强度高、接触电阻低,在引线键合中广泛使用。
▲ 球形键合流程示意图
▲ 球形键合设备
楔形键合(Wedge Bonding)是通过超声波或热压方式将金属线(如铝线)直接压焊到芯片或引线框架上的技术,无需预先形成球状。其特点是键合点扁平、间距更小,适用于高频或高密度封装场景。
▲ 锲形键合流程示意图
▲ 锲形键合过程
小结
以上就是芯片封装的前六个步骤。概括来说就是:首先进行来料检查,确保晶圆等原料质量合格;接着通过晶圆减薄降低厚度,提高后续工艺的稳定性;然后进行晶圆贴膜,保护晶圆表面;之后通过晶圆切割将晶圆分割成单个裸芯片;再经过芯片贴装,将裸芯片固定到引线框架上;最后通过引线键合实现裸芯片与引线框架的电气连接,这是芯片封装的关键步骤。