芯片封装简单总结

本文导读：

一、封装与测试简介

二、封装工艺及对应的设备

三、封装工艺材料

四、先进封装

五、相关设备与材料概况

以下为正文：

一、封装与测试简介

（一）芯片封装

定义：先将半导体前道工艺加工完成的晶圆经过减薄、切割、粘贴、键合等方式加工后，再用保护材料进行包覆，达到保护芯片并利于在PCB上的组装装配。

作用：实现芯片的电源分配、信号分配、散热管理、机械支撑和环境保护。

封装技术一直是向高密度、高脚位、薄型化、小型化的方向发展，以满足电子产品小型化、轻量化、高性能的需求。

封装技术的发展历程大体上可划分为4个阶段：

第一阶段：即20世纪80年代之前，主要采用通孔插装型封装。这一阶段的典型封装形式包括最初的晶体管外形(TO)封装，以及后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、玻璃密封的CDIP、塑料双列直插封装(PDIP)等。PDIP因具有性能出色、成本低及适合大批量生产的特点，成为这一时期的主流封装形式。

第二阶段：即20世纪80年代后，电子封装逐渐转向表面安装型，同时从平面双边引线型发展为平面四边引线型。在这个阶段，封装形式包括塑料有引线芯片载体(PLCC)封装、塑料四面扁平封装(PQFP)、塑料小引出线封装(PSOP)、塑料四面扁平无引线封装(PQFNP)等。PQFP因具有密度高、引线间距紧凑、成本低及适合表面安装等特点，成为这个时期的主流封装形式。

第三阶段：即20世纪90年代后，半导体行业步入面积阵列封装时代。在这个时期，半导体发展进入了超大规模集成电路时代，特征尺寸已达0.18～0.25μm。这导致半导体封装向密度更大、速度更快的方向发展。在这一背景下，封装技术的引线方式由平面四边引线型发展为平面球栅阵列型，引线技术则从金属引线发展为微型焊球。球阵列(BGA)封装成为主流封装形式。BGA封装根据封装基板的不同分为塑料球阵列(PBGA)封装、陶瓷球阵列(CBGA)封装、倒装芯片球阵列(FC-BGA)封装等。目前，CSP（即芯片级封装）、BGA封装、WLP等主要封装形式已进入大规模生产，全球半导体封装技术正处该阶段，并快速向前发展。

第四阶段：即21世纪以来，堆叠式封装开始出现，包括多芯片组件、3D封装、系统级封装等。封装工艺也从后道逐步进入前道。目前封装技术正处在有线连接向无线连接、从芯片级封装向晶圆级封装、从2D封装向3D封装，以及从元器件封装向系统级封装转变的快速发展阶段。

在集成电路封装互连中，芯片和引线框架（或封装基板）之间的连接用于电源和信号的分配，为电路连接提供了基础。实现内部连接的常见方法有3种，分别是：

引线键合：通过细金属丝（通常是金或铝）将芯片焊盘与相应封装体上的焊盘一一连接，每次键合只连接一根金属丝。这一种简单的芯片电气互连技术，按电气连接方式分类属于有线键合。由于所需设备简单、无须额外工艺，适用于I/O数量较少的芯片，可大大降低封装成本。特点：工艺灵活，成本较低，投资成本相对较低，使用方便。

倒装焊技术：由IBM于20世纪60年代开发并应用，是将芯片的有源面朝下与载体或基板进行连接，芯片和基板之间的互连通过芯片上的凸点结构和基板上的键合材料来实现，同时为了提高互连的可靠性，在芯片和基板之间加上底部填料。特点：可同时实现机械互连和电学互连，具有良好的电性能和热性能、较多的输入输出引脚，以及较小的封装尺寸和较低的成本等，非常有利于高密度的芯片封装，是先进封装形式的一种。

带式自动键合（TAB）技术：于20世纪70年代由美国通用电气公司（简称GE）研制。它是一种将芯片安装和连接到柔性金属化聚合物载带上的封装技术。载带中的内引线键合到芯片上，外引线键合到常规封装或PCB上，整个过程均采用设备自动完成，按照电气连接方式来看属于无线键合方法。特点：由于芯片需要设计和制作相匹配的载带，在性价比、可靠性、可扩展性和热管理等方面存在缺点，难以在高密度、高性能的芯片上应用，目前逐渐被倒装焊取代，只在某些特定应用场景下存在少量应用。

附：CSP的分类

按基片类型分类：

1、引线框架式CSP：其封装载体采用了与传统塑封电路相似的引线框架结构，但在设计上进行了优化，具有更小的外形尺寸和更薄的厚度。其指状焊盘创新性地延伸至芯片内部区域，形成紧密的电气连接布局。在芯片与封装的互连工艺方面，主要采用引线键合技术，其中金丝球焊是较为常用的工艺方法，通过这种方式，能够可靠地实现芯片焊盘与CSP外部焊盘之间的电气导通。特点：得益于与常规塑封电路相近的制造工艺，引线框架式CSP在生产过程中无需进行大规模的设备和工艺调整，显著降低了生产难度和成本，因而具备良好的规模化生产适应性。目前，富士通、日立等行业领先企业已掌握成熟的制造技术，成为该类产品的主要供应商（应用于消费电子、通信等领域）。

2、刚性基片式CSP：IC载体基片由多层布线陶瓷或多层布线层压树脂板制成 。特点：强度和稳定性较高，能够为芯片提供良好的电气连接和物理支撑。摩托罗拉、索尼、东芝、松下等公司在该领域较为领先。

3、挠性基片CSP：IC载体基片采用塑料薄膜等柔性材料制成，在薄膜上制作有多层金属布线 。特点：柔韧性良好，能够适应一些特殊的应用场景，如可穿戴设备等对封装柔韧性有要求的领域。代表产品包括Tessera公司的microBGA、CTS公司的sim - BGA等。

4、晶圆级芯片CSP（WLCSP）：主要封装工艺在晶圆上完成，通过介质膜和布线实现从焊盘到焊球外引脚的电性连接以及与其他部分的绝缘 。特点：这种封装方式直接在晶圆阶段进行，避免了后续对单个芯片的复杂封装工序，极大地提高了生产效率，同时进一步减小了封装尺寸；WLCSP可在晶圆上进行测试和老化筛选，保证了产品的质量和可靠性。

按互联方式分类：

1、倒装片键合CSP;采用芯片有源面反向朝下的独特安装方式，借助芯片表面预设的焊球与基板直接完成电气连接。这种互连架构显著缩短了芯片与基板间的信号传输路径，大幅降低了寄生电感与电容效应，从而显著提升了高频信号传输的稳定性与电气性能。

在工艺实现层面，倒装片键合CSP需依赖多项关键技术协同作业。首先，二次布线技术将芯片周边原始焊盘重新布局为间距优化的阵列结构，为后续连接创造条件；其次，凸点形成技术通过电镀金或焊料沉积工艺，在再分布焊盘上构建可靠的连接凸点；然后，倒装片键合技术利用高精度设备将带有凸点的芯片精准贴合至基板；最后，包封环节采用特殊材料与工艺，着重控制空洞、裂纹产生，增强封装体的水汽阻隔能力，确保长期使用的可靠性。

2、引线键合CSP：采用短引线键合的方式，将芯片焊盘与封装基片焊盘连接起来 。特点：工艺相对成熟，成本较低。在生产过程中，需要先对晶圆进行减薄、划片处理，然后进行芯片键合和引线键合，最后进行模塑包封、安装焊球等后续工序 。

3、TAB键合CSP：使用TAB（载带自动键合）技术实现芯片与封装基片的连接 。首先在圆片上制作凸点并进行减薄、划片，接着进行TAB内焊点键合，将引线键合在柔性基片上，然后进行TAB键合线切割成型和外焊点键合，最后进行模塑包封和安装焊球 。TAB键合CSP适用于一些对引脚间距和电气性能有特定要求的应用场景。

CSP和圆片级封装的区别：

CSP：封装尺寸与芯片相当，一般超过IC尺寸的20%，是IC级单芯片封装技术，采用标准SMT组装，并进行包封和测试。

圆片级封装：在圆片上加工电互连结构，采用SMT技术倒装互连，然后在圆片上完成包封、测试、老化，分割后得到IC成品。

（二）芯片测试

定义：指利用专业设备，对产品进行功能和性能测试。晶圆制造完成后首先进行的是晶圆可接受度测试(WAT)，通过WAT的晶圆方可进行后续封装。进入封装后的测试又分为中测和终测。中测是对晶圆上的裸片进行逐一测试，目的是在封装前找出并剔除残次品，降低后续封装的成本。封装完成后的产品还需要进行终测，通过终测的产品才能成为合格的芯片。

测试的主要步骤：将芯片的引脚与测试机的功能模块连接，施加输入信号并检测输出信号，以评估芯片的功能和性能是否达到设计要求。芯片测试通常分为两个主要环节：

1）晶圆检测(CP)：目标：在芯片封装之前尽早筛选出无效芯片，以节约封装成本。这一环节是通过探针台和测试机的协同作用，对晶圆上的芯片进行功能和电参数测试。

2）成品测试(FT)。目标：确保每个芯片在出厂前的功能和性能指标符合设计规范。这一环节由分选机和测试机协同工作，对封装完成的芯片进行功能和电参数测试。

集成电路测试工程包含硬件设备和软件程序两大部分。硬件指自动测试设备、分选机和探针台；软件指测试程序。

此项具体设备分类请详看本公众号文章半导体制造设备简单总结。

二、封装工艺及对应的设备

（一）减薄划切工艺

1、减薄工艺

是对已完成功能的晶圆背面的衬底材料进行磨削，去掉一定厚度的材料，利于满足后续封装工艺的要求以及保证芯片的物理强度，散热性和尺寸要求。主要目的：提高散热效率、减小封装体积、减少芯片内部应力、提高电力性能、提高划切加工成品率。当前主流晶圆减薄机的整体技术采用了In-Feed磨削原理，利用晶圆自旋、磨轮系统和低速进给方式来进行磨削。针对预期厚度大于50μm的晶圆，背面减薄过程可以分为粗磨、精磨、抛光3个阶段。当晶圆减薄后的厚度要求为50μm或更小时，一般会采用先划片后减薄（DBG)的方法，即在第一次研磨之前，先将晶圆切割一半，按照“划片→研磨→划片”的顺序，将芯片从晶圆安全地分离出来。其他研磨方法：使用临时键合的有载片。

设备：减薄机。

减薄机包括转台式磨削、硅片旋转磨削及双面磨削等方式，可满足大尺寸晶圆制备和背面减薄的需求，并确保高水平的表面精度。国外主要是日本、美国、德国等发达国家生产的晶圆精密磨床技术比较成熟，如日本迪斯科（简称Disco）、冈本（简称Okamoto）等生产的减薄机在加工大尺寸、超薄化晶圆时仍具有高精度、高集成化和高自动化的能力。目前，国内华海清科、中电科装备已有相应设备机台。

2、划切工艺

晶圆划切：又称划片，是将晶圆分离成单独的芯片，一般一个晶圆包含数百个芯片，每个芯片都用划线标出，划片机沿着这些划线切割晶圆。目前，划片机主要以刀片、激光和等离子体方式实现。

刀片划切：一种基于强力磨削原理的切割方法。刀片划片机是使用最广泛的切割工具。划切刀具一般由金刚石颗粒通过黏结剂黏结而成，根据材质和安装方式可以分为软刀和硬刀。软刀需要法兰盘夹持，使用前需要磨刀，刀具露出量大，适合较厚的晶圆。硬刀可独立安装使用，但通常露出量较小，不能加工较厚的产品，有一定的局限性。刀具选择的基本原则：硬的材料划切选软的刀体材料，软的材料划切选硬的刀体材料。避免用硬刀具划切硬脆材料，硬碰硬会导致背崩、背裂的现象。

激光划切：利用高能激光束照射在晶圆表面，使被照射区域局部熔化、气化，从而达到划切的目的。另一种激光划切方式为激光隐形切割(SD)，它是先使用激光焦点聚焦并切割晶圆内部，再向黏附在背面的胶带施加外部压力，使其断裂，从而分离芯片。SD相对传统的激光划切法因不产生硅的碎屑且切口窄，所以可以获得更多的芯片，但这种划切方式不是所有材料都适合，如特定材料可能对激光能量的吸收和反射性有限制，导致划切效果不佳，甚至无法划切。总之，激光划切适合对于厚度不到100μm（相对较薄）的晶圆划切，可减少剥落和裂纹等现象，从而获得更优质的芯片，但晶圆厚度为100μm以上时，生产率将大打折扣。

等离子体划切：当晶圆厚度小于30μm时，等离子体方法以化学反应气体为原料，可以通过复杂的刻蚀过程，实现一次性划切，且与刀片划切、激光划切相比，等离子体划切不会给晶圆表面造成损伤，从而降低不良率，获得更多的芯片，但它需要晶圆厚度较薄，工艺流程相对较烦琐，成本高。

设备：划切机。

刀片划切机和激光划切机是常用于晶圆划切加工的两种设备，它们各有特点和应用范围。

刀片划切机适用于较厚材料的切割，效率高、切割成本相对较低、材料应用广泛，通过更换不同性能的刀具和划切参数可以实现硅、铌酸锂、砷化镓、蓝宝石、氧化铝、氧化铁、石英、玻璃、陶瓷、太阳能电池片等多种材料的划切。刀片划切机根据晶圆划切自动化程度的不同可分为全自动划切、半自动划切（包含自动识别、手动识别）、手动划切设备。目前，全球刀片划切机市场由日本企业垄断，DISCO为全球划切机代表性企业，份额占比高达70%。国内长电科技所使用的划切机主要由DISCO和东京精密设备（上海）有限公司提供。国内的刀片划切机技术起步晚、核心零部件国产率低，目前制造刀片划切机的企业主要有中电科四十五所、光力科技、沈阳和研科技等企业。

激光划切机常用于太阳能电池板、薄金属片和薄晶圆的划切。国内的华工科技、大族激光等企业均有产品推出。

（二）引线键合工艺

引线键合技术分为热压键合、超声键合和热压超声键合3种主要方法。

热压键合：通过热压头对引线进行温度和压力的控制，使焊线金属发生变形。通过精确控制压力、温度和时间等工艺参数，焊线和焊盘的金属之间产生原子扩散，从而形成坚固的焊接连接。

超声波键合：将超声频率的弹性振动施加在焊线和焊盘之间，从而破坏氧化层并产生热量，实现键合。

热压超声键合：是将上述两种方法结合，主要用于金丝和铜丝的键合。该方法使用超声波能量，但与超声键合不同，需要外部加热源。在键合时，焊线不需要磨蚀掉表面氧化层。外部加热的作用在于激活材料能级，促进两种金属的有效连接，以及金属间化合物的扩散和生长。

引线键合工艺包括球形键合工艺与楔形键合工艺。

球形键合工艺：通常使用金线作为键合引线，键合方式可以是热压键合或热压超声键合。优点：高速键合，且键合过程不受方向限制，第二次键合位置可以是相对于第一次键合的任意方向。缺点：球形键合的密度较低，不能键合超低线弧。

楔形键合工艺：可用铝线、铜线或金线。通常，楔形键合采用超声波键合，也可以是热压或热压超声键合。优点：适用于窄间距焊盘、低线弧、线长可控且可实现低温键合等。间距键合能力较小，适用于键合带状线。缺点：键合速度较慢。

设备：常见的引线键合设备分为手动型、半自动型、全自动型，主要技术指标有支持的引线材质和直径、球形键合时的成球直径、超声键合功率范围、热压键合力、键合台的温度、夹持方式、键合尺寸范围、键合时间控制精度、键合腔深、键合精度和键合效率等。引线键合设备的生产商主要有Kulicke & Soffa（全称：库力索法半导体工业公司）、ASM Pacific Technology（中文名：ASM太平洋科技，简称ASMPT）等，这两家企业在全球市场中份额占比高，处于主导地位。由于技术壁垒高，国内全自动高速引线键合机依然依赖进口，但奥特维、德沃自动化、凌波微步等国内企业正在加快引线键合机研发步伐，且已实现部分进口替代。

（三）倒装焊工艺

倒装焊是将芯片上的引脚与基板上的连接点直接相连。其在引脚密度、性能和可靠性方面比传统的芯片连接方式更具优势。在倒装焊中，芯片上的引脚通过微小的凸点（通常是焊球或焊盘）直接连接到基板上，适用于高频、高速的电子产品。

在倒装焊工艺中，根据电气连接要求，主要涉及凸点制备工艺和倒装焊接工艺。

1、凸点制备工艺

涉及光刻、电镀等数道芯片制造工艺，适合采用晶圆级加工方式，直接利用整片晶圆，在晶圆表面的所有芯片上加工制作凸点，提高制造效率。常用凸点材料的形成工艺有蒸发、印刷和电镀等，其余制作工艺基本相似。

工艺流程：

(1)采用溅射或其他PVD的方式在晶圆表面沉积一层Ti/Cu，作为电镀所需种子层。

(2)在晶圆表面旋涂一定厚度的光刻胶，并运用光刻曝光工艺形成所需要的图形。

(3)进行电镀工艺，通过控制电镀的电流大小、脉冲方式、时间等参数，在光刻胶开窗图形的底部生长并电镀出一定厚度的金属层，作为凸点下金属工艺(UBM)。

(4)通过去除多余光刻胶、UBM刻蚀及回流工艺实现凸点的制作。

2、倒装焊接工艺

包括热压焊、回流焊、环氧树脂光固化法和各向异性导电胶黏结法。

1）热压焊：是一种将凸点与基板焊区连接的方法，通过带有超声波的加热焊接头来实现。此过程中，承片台同时对基板进行加热，经过设定的时间，焊接完成。优点：超声波能量的引入使得焊接压力和温度相对较低，可对基板和芯片进行保护。不同种类的凸点材料（如金凸点和铝凸点）都可以应用于此方法。热压焊工艺简单，是无铅焊接方式，对人体和环境无害。

2）回流焊：又称C4技术，意为控制塌陷芯片连接。它是一种用于回流焊锡铅钎料凸点的高密度、高可靠性的芯片封装和连接方法。优点：工艺成熟，焊球回流熔化时能够自对准，可降低贴装的精度要求。

3）环氧树脂光固化法：利用光敏树脂光固化时的收缩力，将凸点与基板上的金属焊区紧密连接，实现“机械接触”而非传统的“焊接”。操作步骤：在基板上涂抹光敏树脂，将芯片凸点与基板金属焊区对齐贴装，施加压力的同时使用UV光固化，最终实现倒装焊。

4）各向异性导电胶黏结法：是一种使用各向异性导电胶填充凸点下方代替钎料的方法。该材料在一个方向上导电，而在另外两个方向上绝缘。胶料可直接应用于键合区，芯片放置在其上方。由于垂直方向的导电性，芯片与基板之间能够建立电气连接，同时不会与相邻连接点短路。主要优点：无铅、无须助焊剂、低工艺温度及无须下部填充。缺点：应用场景受限（性能相对较低、热应力较小）。

设备：常用回流焊炉。按照回流焊的加热区域，回流焊炉可分为整体加热进行回流焊（包括热板回流焊、热风回流焊、热风加红外回流焊、气相回流焊）和局部加热进行回流焊（包括激光回流焊、红外回流焊、聚焦红外回流焊、光束回流焊、热气流回流焊）。

回流焊炉的理想温度曲线由预热区、活性区、回流区和冷却区4个主要部分组成，每个部分都有特定的作用，以确保在芯片封装过程中获得较高的焊接质量。在预热区，PCB从环境温度逐渐升温到所需的活性温度（预热主要目的是准备PCB和元器件，使它们达到合适的焊接温度，以便在后续的焊接过程中实现良好的焊点质量）。预热区还有助于减少温度梯度，避免热冲击，以及让PCB中的各个部分均匀升温，从而减少应力和损伤的发生。

（四）其他工艺

1、芯片黏结工艺

将芯片安装在基板上时采用的工艺，一般包括以下4种方法。

(1)Au-Si合金共熔法。该方法要求在芯片背面沉积Au层，并在待固定的基板上也涂覆金属层（通常是Au或Pd-Ag）。

(2)Pb-Sn钎料合金片焊接法。该方法适用于芯片背面涂有Au层或Ni层的情况，基板导体可以是Au、Pd-Ag、Cu。钎料合金片焊接需要在保护气氛炉中进行烧结，烧结温度需根据焊料合金片的成分而定。

(3)导电胶黏结法。该方法使用含银环氧树脂作为导电胶。与其他方法相比，该方法不需要芯片背面和基板有金属涂层。一旦芯片被黏结，只需要按照导电胶的固化温度和时间进行固化，可在洁净的烘箱中完成，操作相对简单。

(4)有机树脂黏结法。对于不同尺寸的集成电路，该方法只需确保芯片与基板之间的黏结牢固即可。一般而言，有机树脂黏结法使用低应力树脂材料。

2、底部填充工艺

是在填充剂（通常为聚合物或液态的环氧树脂）通过回焊炉后，先把它填入PCB上芯片的下方，接着加热PCB，使得填充剂透过毛细作用，流入芯片的底部。作用：可有效减缓焊接点的压力，并均化热胀冷缩的应力。底部填充剂能让芯片与底层PCB接合得更加稳固，使得压力均匀释放于芯片及PCB表面，而非集中在焊接点上，从而使设备更耐用。

底部填充材料由热固性聚合物和石英填料构成（与包封芯片的环氧树脂不同），填料的颗粒尺寸决定流动特性以及该材料能够填充的间隙尺寸，颗粒尺寸一般小于间隙高度的1/3。底部填充材料一般通过热固化来变硬，也有用UV光或微波进行固化。

3、塑封工艺

塑封主要是把芯片和金线用塑胶密封起来，使其不受外界环境的影响而失效。塑封前一般会采用等离体对基板进行清洗，以增加结合力，提高产品的可靠性和使用寿命。塑封时，使用注塑机将预热后的环氧塑封料(EMC)从注塑口投入投料罐中，注塑杆加压后，熔化后的塑封料流入并充满模腔，将芯片和焊接金线包封起来，同时模腔内的空气经空气口排出，待填充EMC硬化后，开模脱模，取出封好的成品。完成塑封后，要把塑封后的产品放在烤箱内，目的是使EMC完全硬化，并消除塑封时产生的内应力。

EMC：一种热固性树脂，主要成分为环氧树脂及各种添加剂（固化剂、改性剂、脱模剂、染色剂、阻燃剂等)，需低温存储，使用前需先回温。

除上述工艺外，在封装过程中还可能涉及切筋、电镀、成型、植球、激光打标、镜检、可靠性测试等工艺，这些工艺相对简单。

其他设备：

贴膜机：主要是在晶圆减薄、划切前，进行贴膜保护和晶圆夹持。晶圆贴膜切割的主要作用：将晶圆上做好的晶粒切割成单个，以便后续的工作。

贴片机：为大批量生产实现超高精度、高复杂性芯片的贴片，共晶焊、紫外环氧贴片及倒装芯片装配等原位装配过程都可以通过贴片压力控制、超高精度贴放及片定向等特性实现，确保了贴片过程中的高良率、高质量和高可靠性。贴片机一般会同环氧点胶机、环氧蘸胶及带刮擦和温度控制的共晶焊等功能融合起来，形成贴片机和固化一整套组装解决方案的设备）。

注塑机：主要用于将塑料封装材料注入模具中，形成封装壳体，从而保护芯片并提供物理支持。

三、封装工艺材料

集成电路封装工艺材料作为封测全产业链的上游基础，是实现先进封装工艺的根本和保证。集成电路工艺中常见的封装材料主要包括封装基板材料、芯片黏结材料、热界面材料及包封保护材料。

（一）封装基板材料

基板是连接裸片和外部电路的桥梁，是集成电路封装的关键材料。封装基板材料主要可分为陶瓷基板、金属基板、有机基板和硅基基板等。

1、陶瓷基板

是早期被用作封装基板的材料之一，适用于气密封装。通常情况下，陶瓷基板会在基材表面制备金属导电图形，并通过烧结工艺将陶瓷与金属紧密结合。根据烧结温度的不同，陶瓷基板可分为高温共烧结陶瓷(HTCC)基板和低温共烧结陶瓷(LTCC)基板。

1）HTCC基板材料包括氧化铝、氮化铝和碳化硅等，烧结温度通常在1500～1900℃之间。

---氧化铝陶瓷：广泛用于高温传感器、熔解槽、陶瓷电容器和其他电子器件的封装等。

---氮化硅：应用于制造高温高压传感器、汽车发动机部件、太阳能电池板和其他高温、高压或高耐久性应用领域。与氧化铝相比，氮化硅陶瓷的强度更高、热膨胀系数更低、耐热性能更好。

2）LTCC基板的烧结温度一般在850～950℃之间。导体金属可以选择金、银、铜等低电阻率材料，因温度较低，其形成的电路图形更加精细，可实现高密度布线。主要应用：手机天线模块、车载控制单元和光通信接口模块等领域。

这两类基板的主要区别：玻璃含量不同。HTCC基板中玻璃含量低于15%，LTCC基板中玻璃含量通常高达50%以上。添加玻璃可降低介电常数，有助于制造高速电路，但也可能降低基板的机械强度和导热性能。

2、金属基板

是一种采用铝、铜、铁、钼等金属作为基材，在其表面制造绝缘层和导电层的基板。特点：散热性、加工性及电磁屏蔽等性能优异。应用：发光二极管封装产品、集成电路、汽车、办公自动化和大功率电子器件等领域；高功率半导体激光器、太阳能电池组件等领域（利用金属基板的热传导性能和机械强度）。在工业生产中，金属基板的表面通常会进行化学镀铜、镀镍、镀金等处理，以提高其导电性能和耐腐蚀性能。

3、有机基板

是基于传统PCB的制造原理和工艺，经过有机加工而成的一种基板。特点：制造成本低、PCB密度高、加工工艺简单等（因此在电子产品中应用广泛）。应用：手机、平板电脑、电视、数码相机等消费电子产品；LED照明、电源电路、医疗设备等领域。在制造过程中，有机基板的表面通常会进行化学加工、机械加工、镀金、喷涂等处理，以提高导电性能和耐腐蚀性能。同时，柔性薄膜有机基板还可弯曲、可卷曲，在可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。

4、硅基基板

是指以硅作为主要成分的材料。在现代集成电路封装工艺中，硅基基板被广泛应用于制作中介转接层，以连接不同集成电路器件之间的信号和电源。特点：高强度、耐高温、导热性好、物理性能稳定等，适用于多种不同的封装应用。

硅中介转接层是封装过程中的一个关键步骤，用于将芯片和外部连接器之间的信号和电源线路连接起来，可实现更高的密度和更小的尺寸，从而能够满足现代集成电路器件的高度集成和微型化的需求。在制作中介转接层时，硅基材料还可通过掺杂等工艺进行优化，以实现更好的性能（改变材料的导电性、光学性能等）。

（二）芯片黏结材料

主要用于芯片与载体之间的黏结。根据不同的黏结方式和材料特性，传统的芯片黏结材料可分为贴片胶、片状胶膜、焊锡材料和低温玻璃等。

1、贴片胶

在封装中应用广泛。特点：工艺温度低、成本低和受热应力小等；但需要高温固化，工艺时间长，因此热稳定性较差。贴片胶分为导电胶和绝缘胶两类。

--导电胶：是一种黏结剂，具有导电性能，可分为同性导电胶和异性导电胶。主要成分：导电填充物（如Au或Ag导电微粒）和环氧树脂。

--绝缘胶：广泛用于集成电路封装中需要绝缘黏合和灌封的部分，如不需要导电的芯片背面。

2、片状胶膜

是一种超薄型薄膜黏结材料。主要成分：树脂。与导电胶不同，片状胶膜以薄膜的形式应用于贴片过程中，有助于吸收因热胀冷缩而产生的不同材料交界面的应力，有效预防层间分离。片装胶膜可用于连接集成电路芯片与封装基板，也可将芯片与芯片连接在一起，还可通过热焊接的方式实现倒装芯片的封装。根据导电性的不同，片装胶膜分为导电胶膜和绝缘胶膜两种类型。

3、焊锡材料

利用焊锡的熔点，将焊锡加热至液态状态，使其润湿母材，填充接缝间隙并与母材发生互相扩散，从而实现芯片的黏结。在集成电路封装的各个层级中，焊锡材料被广泛应用，尤其在倒装芯片的结构中，焊点可用于裸片与衬底之间机械连接和电连接，避免了传统的贴片和线缆连接工艺，从而减小了封装体积并降低了成本。

4、低温玻璃

是一种软化温度在600℃以下的玻璃材料。低温玻璃因具有较低的软化温度，故可用于实现半导体、金属、陶瓷和玻璃之间的相互封闭。

酸性低温玻璃：主要由硅酸盐、硼酸盐和铝酸盐等组成，它们在加热过程中能够形成交叉化学键，形成高强度的玻璃。酸性低温玻璃密封性、化学惰性和耐腐蚀性优异，在芯片封装中应用广泛。

（三） 热界面材料（TIM)

TIM有时也被称为导热界面材料或界面导热材料。在电子系统的结构中，两种不同的材料之间的接触界面或结合界面会产生微小的间隙，界面表面可能存在不平整的凹凸或微孔等缺陷。TIM的作用是填充这些间隙和孔洞，减少传热中的接触热阻，从而提升电子器件的散热性能。

TIM种类及各自优缺点：

其中，导热膏、导热垫片和相变型导热胶的产量较大，应用较广泛。

另外，碳纳米材料已成为能够提供全新热界面材料应用方案的一类重要材料。研究表明，碳纳米材料的热导率较高，但支撑强度较差，在使用过程中容易发生变形，导致水平方向的热导率过低。其通常被混入普通的热界面材料中作为填料。目前可用作填料的碳纳米材料主要包括碳纳米管和石墨烯等。

（四）包封保护材料

包括环氧塑封料、注塑料、硅胶和聚四氟乙烯等。这些材料在不同的封装工艺和应用场合中发挥着不同的作用。

环氧塑封料：以环氧树脂为基体树脂（黏结剂），以酚醛树脂为固化剂，加上填料、阻燃剂、促进剂、偶联剂及其他微量组分，按一定的比例经过前混合、混炼（挤出）、冷却、粉碎、磁选、后混合、碇粒成型（打饼）等多道工艺制成。通常在塑料封装中，会使用环氧塑封料对芯片及其互连部位进行包封保护。

四、先进封装

封装的主要作用：实现从晶圆裸片上纳米级线条到PCB上亚毫米级线条的连接与过渡，完成信号的传输与控制，并通过电、热、机械等性能的优化提高芯片的可靠性。集成电路封装主要分为3个层次，分别是晶圆裸片到塑封芯片的封装（称为半导体封装级），塑封芯片到PCB的封装（称为器件/PCB级），以及PCB到电气化母板的封装（称为装备/设备级）。通常，先进封装研究的核心内容是晶圆裸片到塑封芯片的封装。

目前产业界和学术界认为摩尔定律的发展主要有两个方向，即：

1）延伸摩尔定律：即晶体管特征尺寸继续缩小，集成密度继续提高，面临着较大的技术挑战，相对而言存在瓶颈。

2）超越摩尔定律：即将多种功能芯片及PCB上的分立器件集成到封装基板或芯片中，形成多样化功能系统集成的效果，将数字、模拟、射频、光学、MEMS、运算、存储、通信等多种功能集成在一个产品中。系统集成包括技术集成、功能集成、产品集成等。

目前，系统集成的主要方式有：

SoC：即把系统集成在一个芯片上。

SiP：即把PCB上的有源、无源器件都集成在一个封装基板上。

SoP：即将PCB上的无源器件集成在一个封装基板内部，并将PCB上的有源器件集成在同一个封装基板上，从而形成集成的一体化结构。

总结：

SoC在系统设计及工艺实现方面面临着较大挑战，但集成度更高、性能更好；SiP较易实现且集成方式多样；SoP与SiP相比可实现更高的集成度。实际应用中，可以根据产品对性能的需求、生命周期的长短、成本的考量选择不同的系统集成方式。

SoC在晶圆制造的阶段就已经实现了系统功能的集成，因此传统的单功能芯片和SoC芯片在制造完成后的封装阶段，都只涉及对单一芯片的封装处理，采用传统封装的方式对裸片进行减薄、划切、引线键合（或倒装键合）、塑封、打标、植球、检查等工序，即可完成芯片的封装。

SiP及SoP是将系统集成在一个封装基板上，即先将不同功能的芯片在晶圆制造阶段分别按照各自对应的工艺节点加工完成，然后通过2D、2.5D、3D的封装方式对多个芯片进行信号连接，实现多功能系统的集成。按照实现系统功能所集成的芯片类型的不同选择相应的封装方式；先进封装是这些区别于传统封装的封装方式和封装技术的统称。

1、晶圆级封装(WLP)：由英飞凌率先提出，工艺过程是先将晶圆进行整体封装，再将其划切为单个封装芯片，有Fan-In（扇入式）和Fan-out（扇出式）两种类型。

1）扇入式晶圆级封装(FIWLP)：是WLP的一种，裸片上的信号接口排布就在裸片的面积范围内，直接连接在裸片下方便焊接的位置。为使封装后芯片成品更轻薄，先对晶圆进行减薄加工，再在RDL层连接的金属焊盘上植球，以便后续芯片焊接到PCB上，最后将封装完成的晶圆进行切割，得到独立的芯片。

2）扇出式晶圆级封装(FOWLP)：是WLP的一种，需要通过RDL将裸片上的信号接口引出到裸片的外围，因此需要先将晶圆划切为单个裸片，再将独立的裸片重新布置在新的晶圆载体上，然后进行金属化布线互连、植球，形成最终封装，最后将封装完的晶圆载体进行切割，得到独立的芯片。

传统封装一般先对晶圆进行划切，再将裸片进行独立封装。

2、整合式扇出(INFO)晶圆级封装：由台积电开发，核心是对FOWLP工艺的集成，可以理解为将多个扇出工艺芯片进行集成，提供了更大的封装空间，使更多的芯片直接互相连接。

FOWLP偏重扇出封装工艺本身，INFO晶圆级封装则侧重扇出工艺的集成。

3、扇出式面板级封装（FOPLP)：由三星提出，该技术采用了比晶圆面积更大的面板，面板材料可以是玻璃或PCB等基板。更大的面积得以一次封装更多的器件，因此可以量产数倍于晶圆芯片的封装产品。

4、嵌入式多芯片互连桥（EMIB)先进封装技术：由Intel提出，该技术对不同工艺节点获得的不同功能的芯片，通过晶圆进行局部高密度互连，因为封装结构中没有采用TSV工艺，因此属于2D先进封装技术。

5、晶圆基板芯片(CoWoS)技术：是台积电推出的2.5D封装技术，它是先把多种不同芯片封装到中介层（如硅转接板）上，并在中介层上通过高密度布线将多种芯片进行互连，然后将中介层安装在封装基板上。

6、高带宽内存(HBM)技术：是AMD与英伟达主推的2.5D+3D封装技术，该技术使用了2.5D TSV工艺及3D TSV工艺，先通过TSV工艺将多块内存芯片纵向堆叠，然后结合RDL工艺将堆叠芯片和其他芯片在基板上实现互连，主要针对显卡等高端芯片市场。

7、宽带输入输出(Wide-IO)技术：由三星主推，它是通过3D TSV工艺将存储芯片堆叠在逻辑芯片上并与基板相连，具备垂直堆叠TSV架构封装优势。

8、Foveros：采用3D堆叠技术，封装后的芯片体积更小、功耗更低、性能更好。3D面对面异构集成芯片堆叠(Foveros)技术由Intel提出。

9、Co-EMIB(Foveros+EMIB)技术：由Intel将EMIB技术和Foveros技术结合而来。EMIB技术主要用于实现横向的不同芯片模块间的连接，Foveros技术主要用于实现纵向芯片模块的堆叠，可以让芯片纵向的堆叠和横向的拼接同时进行，是一种弹性更高的芯片封装集成技术，能够形成更大的芯片系统。

10、集成片上系统(SOIC)：是台积电提出的一种3D多芯片封装技术，创新点在于没有凸点结构，芯片间的互连采用直接键合的方式实现，因此芯片间距更小、集成密度更高、运算性能更强。

SOIC与SoC是完全不同的概念。

SoC需要在一个芯片上实现系统的功能，不同功能的电路需要在一个芯片表面同时设计及制造，对设计公司及制造代工厂要求较高。

SOIC是在集成的多个芯片上实现系统的功能，不同功能的电路可以沿用各自原本的设计及制造工艺，因此在封装阶段只需要将各功能芯片集成即可，对设计及制造的要求较低。

总结：先进封装技术使芯片制造和封装环节的关联度越来越高。众多Foundry厂商和IDM厂商也在积极布局先进封装技术，先进封装技术将成为后摩尔时代的重要发展方向及颠覆性技术之一。先进封装技术有望成为集成电路产业新的制高点。

1、RDL工艺及相关设备

RDL工艺：通过微纳加工方案在晶圆上利用介电层和金属层形成布线，将芯片内部的部分布线工作通过I/O焊盘转移到外部晶圆上来完成，并可将芯片中的I/O口转移到新的结构间距宽松的区域，实现芯片线路节点位置的改变。该工艺对倒装芯片设计而言，可克服芯片设计I/O口不为面阵列的问题。（对I/O口分布在芯片边缘的设计而言，引线键合工艺相对简单）

RDL工艺可广泛应用于FIWLP、FOWLP、FOPLP等。该工艺通过与TSV等技术的结合，可实现多层集成电路及多种功能芯片的系统封装互连。

RDL工艺优势：

(1)可将芯片原来设计的线路I/O触点位置改变到其他触点位置，使芯片能适用于不同的封装形式。

(2)引出的引脚数更多，可以支持多种芯片的互连测试，提高了产品的附加价值。

(3)可将多种功能芯片进行灵活的系统重构与集成。

(4)可有效缩短芯片间信号连接路径的长度，具有提升芯片功能密度、减少热损耗、提升运算性能的优点。

(5)可完成芯片的部分布线工作，极大降低成本。

(6)可使I/O触点之间的间距调整更灵活，凸点面积更大，使得封装时基板与元器件间的应力更小，增强芯片的可靠性。

常用于RDL金属层的材料主要有铝和铜。

铝：导电性出色，在微纳加工中操作简单，成本低且与氧化层的黏附性好；但易腐蚀、熔点较低。通常情况下，使用铝线时需配合阻挡层金属，防止因铝与硅反应而出现连接质量问题。铝电路的电气特性无法适应半导体工艺密度的增大及芯片尺寸的缩小要求。

铜：电阻率低、可靠性高、稳定性强且成本低，成为大功率、高电流、低延迟器件的最佳选择。适合半导体工艺密度增大及芯片尺寸缩小的情况。

常用于RDL介电层的材料：包括聚酰亚胺(PI)、聚苯并恶唑(PBO)、苯丙环丁烯(BCB)等。（均为高分子薄膜材料）

RDL工艺实现的方案：主要有电镀铜重布线、大马士革重布线、金属蒸镀剥离重布线等，不同加工方案的线宽线距及加工效果各有不同，加工中用到的材料也各不相同。

1）电镀铜重布线：适用于制备线宽间距在5μm以上的布线结构。优点：操作简单，导电性、导热性和可靠性均良好。缺点：制备多层堆叠结构时，线路层受限于加工方式导致平坦度不足，线条变形导致寄生参数发生变化，进而影响产品性能。应用：集成电路制造、晶圆级封装、PCB制造等领域。

基本工艺流程：

2）大马士革重布线：常用于加工线宽间距小于2μm的样品，是当前行业后道制造和封装的重点工艺。其在介电层刻蚀出所需要的图形结构，采用电镀方式填充金属以实现重布线。大马士革重布线常用于铜制程，解决了铜刻蚀困难的问题。特点：工艺稳定性和可靠性高，是高精度布线的优先选择。与电镀铜重布线相比，大马士革重布线各金属层分布均匀、平坦性好，广泛应用于多层布线结构的工艺中。常用材料：包括SiO2、聚酰亚胺等（这些材料既可以作为介电层材料，也可以成为图形化工艺的衬底，实现金属的填充）。

基本工艺流程：

3）金属蒸镀剥离重布线：常用于1μm左右线宽间距的布线。该工艺通过光刻结构及金属蒸镀剥离完成金属布线，对设备、工艺和材料的要求较低，是一种低成本、高密度的RDL工艺方案。铝、金、钛、铬等金属线都可以通过此工艺实现，但蒸镀金属的黏附性较差，且所得金属的应力较大。应用：常用于制备波导、滤波器、超材料等元器件。

基本工艺流程：

设备选择：

精密电镀设备在RDL工艺过程中使用广泛，主要用于芯片等微纳器件中金属材料的沉积，包括芯片电极、射频器件线圈、MEMS金属结构、先进封装重布线、TSV、TGV等，是互连线布线及3D封装通孔金属填充的核心设备。与其他沉积工艺相比，电镀工艺主要在金属选择性沉积和金属厚膜层沉积方面有显著优势，已在工业产线中广泛应用。

电镀的基本原理是电化学反应过程。通过外加电流使电解质溶液的金属阳离子附着于阴极表面并沉积形成金属铸层。在阴极表面生成电镀金属层具有沉积效率高、价格低、金属膜层沉积厚等优势。但高质量的电镀工艺往往要求阴极部件表面本身已沉积有要电镀金属材料作为种子层，以实现电连接及金属电化学沉积的膜层基础，这就对半导体及绝缘体衬底提出了磁控溅射或化学沉积等前置工艺的要求。

精密电镀设备：主要包括真空预润湿前处理系统、酸洗及清洗系统、金属电镀工艺槽体系统、多波形精密电源系统、惰性气体环境控制系统、温度控制系统、溶液循环过滤及补液系统、程序控制系统、排风系统，以及其余工艺参数控制系统等。电镀设备的主要模块包括拖缸槽、温控系统、过滤器、pH计、流量控制系统、夹具、液位控制系统、电镀槽等。

电镀设备国外代表性企业：包括德国MOT、日本NEXX和美国AMAT等。电镀设备可根据工作模式分为半自动电镀设备和全自动电镀设备，不同企业在片内均匀性、片间均匀性、温控精度、电源输出能力、夹具设计和自动化程控系统方面略有差异。国内代表性企业：上海新阳、盛美半导体等。与国外企业相比，国内企业在电镀设备层面尚有差距，主要体现在对工艺参数的精准控制量级上。目前，国产电镀设备的可控制参数量相对较少，工艺的控制效果有待进一步提高。

2、TSV工艺及相关设备

在2.5D封装中，各电路模块横向排布，通过TSV工艺与底部封装基板或PCB相连。在3D封装中，电路模块为纵向排布，模块与模块间通过TSV工艺垂直互连。

TSV工艺：通过在芯片与芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直通孔，并在通孔内填充铜、钨、多晶硅等导电材料，实现芯片或晶圆间的垂直电气互连。与传统封装引线键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV工艺的垂直互连方式减小了互连长度并提高了互连密度，可获得更好的互连性能，并能够减小信号延迟，降低电容/电感，使芯片在3D方向堆叠的密度更大，外形尺寸更小，从而有效提高芯片运算速度和降低功耗。

TSV工艺存在于集成电路制造工艺的不同阶段，按制造阶段的不同分为以下3类：

1）Via-first TSV：指TSV在晶圆制造的前道工序之前完成，可实现芯片与芯片间的连接，主要作为SoC的替代方案，在微处理器等高性能器件上应用较多。

2）Via-Middle TSV：指TSV在前道工序和后道工序之间制备。

3）Via-last TSV：指TSV在后道工序之后加工。优势：可不改变现有集成电路流程和设计。目前，Via-last TSV工艺已在Flash和DRAM领域被采用。

TSV工艺的基本流程：包括光刻掩模、通孔刻蚀、绝缘层沉积、阻挡层/黏附层/种子层沉积、金属填充、研磨减薄及CMP。其中，通孔刻蚀是TSV工艺实现的关键。目前，刻蚀工艺主要包括激光打孔、RIE和Bosch工艺。随着TSV通孔的分布密度、深宽比和尺寸精度要求的增加，Bosch工艺已经成为通孔刻蚀的主要技术方案。

存在的问题：包括超薄硅晶圆TSV加工技术问题、超高深宽比TSV加工技术问题、3D封装与传统封装的兼容问题、高密度芯片互连散热问题等。解决方向：设计、工艺方法、工艺设备、成本控制、良率控制等。

3、TGV工艺及相关设备

基于硅材料为衬底的TSV工艺虽在这些年发展迅速，但在一些应用方面存在一定限制（硅作为一种半导体材料，导体损耗和介电损耗会导致衬底对信号的完整性造成严重影响，同时硅基转接板的加工和组装集成成本较高）。

基于玻璃材料的TGV工艺正在成为集成电路学术界和产业界的研究热点：玻璃材料与硅材料相比具有热膨胀系数可调、表面平整度优异、电阻率高及成本低等优点，是一种优异的中介层材料，为先进封装技术提供了另外一种选择。

TGV工艺与TSV工艺的流程相似，同样包括通孔制备、金属填充、CMP等步骤，其中玻璃衬底的通孔制备是TGV工艺的难点。玻璃衬底的通孔制备主要分为减材制造和增材制造两大技术路线。

1）减材制造技术路线

常用的加工方法包括机械加工、刻蚀加工、激光加工3类。根据加工方法的不同，玻璃衬底通孔的孔径、间距、深宽比、尺寸精度、表面粗糙度等形貌质量差异很大。

机械加工方法有超声钻孔、喷砂钻孔两种，工艺控制较粗糙，难以满足高精度、高效加工的需求。

刻蚀加工方法有湿法刻蚀和干法刻蚀两种：湿法刻蚀成本低廉，但加工精度和加工深度有限；干法刻蚀虽可得到形貌质量优异的高深宽比结构，但加工成本高、速度慢，且针对石英的深刻蚀设备还不够成熟。

激光加工是当前业内制造TGV最常用的加工方法，但易在孔边缘产生飞溅并带来一定的热缺陷，对玻璃晶圆的机械强度有损坏，紫外激光对材料的热损伤比红外激光低；另外，激光脉宽和束斑直径也是比较重要的参数。

2）增材制造技术路线

常用的加工方法是玻璃回流工艺（近年来发展起来的一种新工艺）。玻璃回流工艺主要是通过湿法刻蚀或干法刻蚀来刻蚀晶圆，先在晶圆上刻蚀出所需的结构单元，再将玻璃和刻蚀后的晶圆通过阳极键合结合在一起，最后在高温下使玻璃回流到刻蚀的硅槽中，从而避免了直接加工玻璃所遇到的问题，将加工制造的相关问题置于晶圆的加工工艺上。

现在常用的玻璃回流工艺：指加热玻璃使其达到融化点，在重力和气压的双作用下填充微腔体的工艺。主要步骤包括刻蚀硅、阳极键合、加热回流和CMP。

TGV工艺的新方向：激光诱导刻蚀法。该工艺将激光加工与刻蚀工艺结合起来，能快速在玻璃晶圆上进行通孔加工，成孔精度及加工效率均较高。该工艺首先通过激光对石英玻璃进行改性处理，利用波长为1064nm的多焦点式短脉宽激光，对需要打孔的部位进行扫描，形成改性区域，然后采用氢氟酸腐蚀液将激光改性区域刻蚀形成TGV。可以根据玻璃材料的类型（如石英玻璃、钠钙玻璃、无碱玻璃、含碱玻璃）及器件设计要求，选择不同的工艺实现TGV结构的加工。

不同TGV制备工艺的优缺点：

限制TGV应用的难点：

1）TGV制备工艺。由于玻璃材料有较高的脆性和化学惰性，现有的工艺虽可以实现TGV制备，但多数工艺都易对玻璃产生损伤，导致形貌损伤及较差的表面粗糙度，同时加工效率偏低，距高质量大规模量产还有很长的路要走。

2）高质量的金属填充。与TSV相比，TGV孔径比较大且多为通孔，实现高质量金属填充的工艺挑战更大，电镀时间和成本也更高。与硅材料相比，玻璃表面更平滑，与常用金属（如Cu）的黏附性更差，容易造成玻璃衬底与金属层间分离，导致金属层卷曲甚至出现脱落等现象。针对低传输损耗、高填充密度的TGV晶圆制作，微孔金属填充方式具体可分为盲孔各向同时电镀、通孔自底向上电镀、金属导电胶填覆、薄层电镀表面覆盖4种。

在TSV、TGV工艺中，深反应离子刻蚀设备应用广泛，其基本构成包括真空系统、电子特气系统【主要用于多种反应气体的流量控制和气体预混合，包括过滤器、有毒气体气路、无毒气体气路、质量流量控制器(MFC)、质量流量计(MFM)和气阀。其中，有毒气体气路通常会通过连接氮气气路来助推有毒气体进入反应室】、反应室、等离子体射频源系统、电极系统、晶圆处理/传送系统、温控系统（包括水冷和氦气两种制冷系统和电学加热系统）、软件控制系统、氮气及压缩空气分配系统。

在未来封装工艺中，深反应离子刻蚀工艺会越来越重要，参与到各个关键的工艺工序中。此外，在MEMS传感器和毫米波/太赫兹器件等领域，深反应离子刻蚀在高深宽比器件（如加速度计、陀螺仪、传声器、无源波导等）的结构形成中也均有重要应用。

随着集成电路产业的发展，超越摩尔和延续摩尔成为芯片性能继续迭代的两条主要路径，从微纳米结构到晶圆级材料的键合需求越来越多，包括SOI和射频高功率衬底制备中的晶圆面键合，背部照明CMOS传感器、声光电传感器、传动传感器等MEMS器件的体结构键合，超薄晶圆制备临时载板、引线键合及倒装键合电互连、裸片及TSV中介层3D堆叠等先进封装复杂异质键合。可以看出，光电器件、SOI、MEMS器件制备、3D异质混合集成、先进封装等领域都对键合工艺有广泛需求。

按照键合方式及处理材料种类的不同，键合工艺可以分为晶圆键合、引线键合、倒装键合三大类。

键合的分类：

1）晶圆键合：用于晶圆级材料的整片键合。其又可分为两种模式，即直接键合（多为永久键合型工艺）与间接键合(多为临时键合型工艺)。

--硅硅熔融键合：首先将两个表面非常洁净且光滑的晶圆在高真空环境下对准并接触，后在高温环境下将预键合的晶圆进一步退火，退火温度一般在800～1100℃之间，退火过程会在晶圆之间接触界面形成能量更强的共价键，从而实现高强度的硅硅熔融键合。

--硅玻璃阳极键合：将对准接触的硅玻璃对中的硅片接电源正极，玻璃接电源负极，温度设定在300～500℃，电压设定在500～1000V。在电压作用下，玻璃中的钠离子将向负极移动，在紧贴硅片的玻璃界面处形成耗尽层，耗尽层和硅晶圆的界面上会形成硅氧共价键，从而实现硅玻璃阳极键合。

--硅金属电化学键合：将对准接触的硅金属对中的金属接电源正极，硅片与溶液接触，在电化学作用下不断生成的硅离子进入电解液。金属中的自由电子不断流向电源正极，在硅和金属界面间形成强大的电势垒，在势垒作用下，实现硅金属电化学键合。

--共晶键合：指在两个晶圆表面有两种或多种金属或非金属膜层，但其中至少有一种是金属，在晶圆间施加压力与温度，此时晶圆间膜层互相接触。合金共晶的温度比形成合金的原始材料熔点低，因此与金属扩散键合相比，共晶键合可在较低温度及压力下实现键合，同时液相的共晶层使共晶键合对初始键合表面的粗糙度及洁净度要求不高，即使在表面起伏较大或存在颗粒的情况下，也可以形成良好键合。

--金属扩散键合：主要是指表面有同种金属层的两个晶圆在高温高压的作用下，金属膜层内原子在界面间不断相互扩散，进而实现键合的方式，如铜铜键合。由于扩散的原子为同种金属原子，因此界面处不会形成合金，不存在合金共晶温度低的优点，需要较高的温度和压力来保证金属原子有较强的扩散运动而实现键合。同时，金属扩散键合对晶圆表面的粗糙度要求也较高，一般要求粗糙度小于5nm。

--聚合物黏结键合：先将聚合物旋涂在一片或两片晶圆表面，对准接触后施加压力，然后通过加热或紫外线照射，使聚合物从液态转变为固态而实现黏结键合。该键合方式所需温度视聚合物材料而异。聚合物多为大分子有机材料（如BCB），可在任何材料之间形成键合，且对键合表面的质量要求不高，并可有效吸收键合产生的残余应力。

注：临时键合/解键合是键合的一种特殊工艺。其主要目的是作为超薄晶圆的载片，得到小型化、轻薄化和高性能的芯片，使其适用于扇入、扇出、2.5D及3D封装。目前，临时键合/解键合已应用于CPU、GPU、MEMS、新型显示器等元器件的制造领域，未来会有更广阔的发展前景。依据键合材料和解键合原理的不同，临时键合/解键合可分为热/机械滑移式临时键合/解键合（热滑移在超薄晶圆加工过程中应用较少；相关光刻胶包括化讯的WLP TB130、WLP TB140等；热滑移设备厂商包括上海微电子、苏州芯睿等）、化学浸泡式临时键合/解键合（不适用于过高温度加工的工艺过程，以免临时键合胶变性导致解键合困难）、激光式临时键合/解键合（可分为IR激光解键合和UV激光解键合；解键合时，UV激光需用到玻璃基板）等。

上述键合工作过程均要先通过湿法工艺将需要键合的晶圆表面的沾污清洗干净，然后采用离子或激光的方式对待键合面进行表面激活等步骤。

2）引线键合：主要用于裸片到封装管壳之间的电连接。

3）倒装键合：用于电气性能更好的倒装互连工艺。

国内外键合设备生产厂商包括：

未来趋势：在集成电路产业的加工工艺中，目前薄膜沉积、图形化、刻蚀等表面加工工艺仍占主流，但随着先进封装成为先进制程发展的主要技术路径，晶圆键合技术在超薄晶圆制备、3D芯片堆叠互连、SiP等先进工艺中的应用越来越广阔，尤其是在转移膜层及MEMS体结构加工中具有极强的优势。晶圆键合技术及其配套设备未来会持续地发展并不断加深在集成电路制造中的占比。

随着激光光源、光路透镜、微振镜、精密控制等技术的发展，激光精密加工技术广泛应用于集成电路、MEMS、光电子、医疗、半导体封装等多种产业。主要原理：利用高精度控制的激光光束对材料的物理或化学作用，使材料发生物相变化或化学性能的变化，并结合精密定位技术，对材料进行穿孔、切割、焊接等操作的加工技术。

激光精密加工技术的主要应用：

（1）激光划切：主要设备有晶圆激光开槽机（主要用于芯片封装完成后抗辐照保护隔离槽的划切）和晶圆激光全切割机（广泛应用于硅、陶瓷、玻璃、金属等多种材料的划切）两种。

（2）激光隐形划切：工作原理是使晶圆内部区域变质，因此与刀头划切相比可有效减少划切过程中的颗粒沾污，适用于抗沾污能力差的样品。

（3）激光打标：指通过激光束在树脂、金属、化合物等多种封装材料打上永久的标记。

（4）激光打孔：多用在3D先进封装及TGV等通孔制备工艺中。由于3D互连所采用的通孔多为微型孔，且对通孔结构垂直度和表面粗糙度要求较高，因此激光打孔对激光波长、脉宽、能量密度、束斑直径等参数都有很高的要求。

（5）激光表面改性激活：指通过激光光束对器件表面的照射，使材料的表面化学成分、表面能、晶格状态等物理化学性能发生改变，以适应进一步工艺中对表面性质的要求。

（6）激光解键合：随着封装技术的发展，要求封装晶圆越来越薄。对超薄晶圆及脆性材料晶圆而言，很容易在工艺制程中出现碎片等缺陷，因此常先将超薄晶圆通过临时键合胶键合到硬质基板上，在相关工艺流程结束之后，再通过解键合过程将超薄晶圆与硬质基板分离。激光解键合就是使临时键合胶失性的常用方式之一。

（7）激光诱导3D纳米打印：利用激光聚焦点在纳米材料内部扫描3D形貌，通过激发光生高能载流子调控纳米颗粒的表面化学活性，而实现扫描区纳米粒子间化学成键的一种3D纳米打印技术。

（8）激光焊接：将高强度的激光照射到焊接区，使被焊接区域材料先产生高温熔化再结晶的一种焊接方式。其特点是非接触式焊接，焊接质量高，不需要电极和填充材料。

长期以来，由于激光器的技术壁垒高，我国激光器主要依赖进口。近年来，以大族激光为代表的国内厂商坚持自主研发，核心零部件正逐步实现国产化。目前，激光器正朝着高功率、短波长、窄脉宽的方向发展，激光精密加工设备也向着更加智能化、数字化、集成化的方向发展。

6、等离子表面改性及去胶设备

芯片的制造过程中光刻胶等有机材料去胶、成膜前的材料表面清洗及改性、刻蚀过程中材料的选择性剥离等都涉及材料的去除过程。常见的减材工艺主要有以下6种。

(1)机械减薄：采用研磨、砂轮、铣刀等机械方式对材料进行物理切削，将材料去除。

(2)激光烧蚀：使用IR、UV、近绿光等激光使材料发生热物理变化或化学键断裂等化学变化，将材料去除。

(3)湿法刻蚀：使用各种化学试剂与材料发生化学反应，将材料去除。

(4)干法刻蚀：通过XeF2、HF等化学气体与材料发生化学反应，将材料去除，反应产物则由真空泵抽走。

(5)等离子体干法刻蚀：利用SF6、CF4等气体产生的等离子体对材料产生物理轰击及化学作用，再使用真空泵抽走反应产物，从而达到材料去除的目的。其具有速度可控、选择性高、反应产物易去除等优点，是芯片制备过程中使用频率较多的工艺方式之一。

(6)反向电镀：利用反向电镀过程中作用于阳极材料的电场势能，实现对金属等材料的减材制备。

与等离子体干法刻蚀相关的设备：干法等离子体去胶机。主要应用有干法去胶【常见于使用氧气、四氟化碳(CF4)、氮气等离子体对光刻胶等有机胶体材料进行干法灰化去除】、表面改性、硅及硅化合物减薄、提高封装可靠性等。干法等离子体去胶机国内外厂商：包括德国MUEGGE、德国PVATPLA、美国应材；中国北方华创和上海稷以科技等。不同型号设备的主要区别在于所采用的等离子体激发源种类、加工片量、终点检测方式、温控方式，以及是否设计偏置电压等。

（三）先进封装材料及设备耗材

先进封装需要在一个封装模块中集成多个不同功能的芯片及无源器件，并组成功能完善的高性能系统。先进封装过程会涉及多个层面、多种材料的选择，如实现异质集成常用的中介层材料、2.5D通孔互连TSV界面的多层材料、金属填充工艺中金属电镀所用到的阳极及电镀液材料，还有超薄晶圆临时键合过程中所使用的临时键合胶等。

1、先进封装中介层

在2.5D及3D先进封装结构设计中，多采用中介层技术来实现芯片与芯片、芯片与基板之间的3D互连（提升芯片运算速度，降低芯片成本和功耗）。在基于TSV中介层的先进封装技术中，中介层先通过通孔互连和RDL实现了多个芯片之间的互连，并减少了芯片I/O的数量，再整体连接到传统基板或印制电路板上。先进封装中介层常见于GPU、现场可编程门阵列(FPGA)及专用集成电路(ASIC)等器件的异质集成领域，有效减少了互连线长度和信号传输延迟与损耗，将相对带宽扩大到了传统封装技术的8～50倍。

基于集成电路前道工艺制造的中介层，可以通过光刻图形转移技术实现更精细的布线图形制备。

按照基底材料的不同，先进封装技术引入的中介层通常可以分为硅、玻璃、有机材料三大类。目前应用最广泛的是硅中介层和玻璃中介层。

硅中介层：可实现的互连线线宽更小、布线密度更大，且采用硅做基底材料的中介转接层与芯片间热失配更小，可有效提高芯片的热应力承受能力和可靠性。

玻璃中介层：在电学特性和物理性能方面优于硅中介层，但加工难度相对更高。

有机基板：与传统基板相比，其在基板厚度、布线密度、对位精度等方面表现更好，但制造难度更高（电气结构更复杂）。按照物理特性和应用领域的不同，有机基板可划分为树脂基材的刚性有机基板和薄膜介质基材的柔性有机基板。

2、 硅通孔界面材料

通常包含绝缘层、黏附层、阻挡层、种子层等。

（1）绝缘层：作为金属RDL的介电层和钝化层，可阻挡电子迁移、减少化学腐蚀、保护元器件、降低漏电流、阻挡潮气等，同时可作为缓冲保护层减少热应力引起的线路断裂。在先进封装中，可在中介层表面和通孔的绝缘层基础上制造多层布线，以提高布线密度、系统集成度，并减小信号传输延迟损耗。常用的绝缘层材料有氮化硅、二氧化硅及高分子聚合物三类。

1)二氧化硅：是一种酸性氧化物。普通CVD沉积二氧化硅的速度太慢，无法获得较厚的二氧化硅膜，且应力较大，当生长厚膜二氧化硅时容易出现裂纹。因此，衍生出PECVD、SACVD、LPCVD等沉积二氧化硅技术，可在优化二氧化硅沉积速度的同时结合退火技术生长出具有折射系数及吸收系数优异、厚度均匀、应力小且质量稳定的厚膜二氧化硅。

2)氮化硅：是一种无机物，其膜层较高的致密性使其比其他多数材料更能抵抗杂质扩散，可以作为氧气和水蒸气的绝佳隔离层。氮化硅膜层多利用LPCVD方式获得。

3)高分子聚合物：如聚对苯二甲、聚乙烯等，多适用于低功率场景。与二氧化硅和氮化硅绝缘层相比，高分子聚合物绝缘层可以在热循环过程中更好地适应硅和金属填充物之间的不同热应变，从而减小TSV结构产生的应力。

（2）黏附层/阻挡层与种子层

在TSV工艺中，通孔互连金属多采用铜材料，铜易扩散进入二氧化硅介质，导致介电性能退化，且对载流子会有一定的陷阱效应，扩散到半导体材料中将对集成电路元器件性能产生严重影响，且铜和二氧化硅间的黏附性较差，所以一般需要先沉积一层黏附/阻挡层，起到避免铜扩散、增加铜种子层与衬底黏附力，以及提高台阶覆盖率的作用。黏附层材料多采用Ti金属，阻挡层常用Ti、Ta、TiN、TaN等材料。

由于阻挡层材料的电阻率往较高，因此不能直接用作电镀基底金属材料。可以将通孔内需填充金属的种子层沉积在阻挡层上，以便于后续的通孔金属填充电镀工艺。因此，在TSV电镀填充互连金属前，需先在通孔内壁溅射一层种子层。目前，多采用铜种子层，它的制备通过高纯度铜靶材磁控溅射PVD实现。种子层的金属膜层厚度、均匀性及深孔台阶覆盖率都会影响后续电镀填充工艺的效果。

为了保证高深宽比的TSV种子层覆盖连续性，除了采用磁控溅射PVD成膜技术，还可采用化学镀技术和ALD技术等。

（3）电镀材料

电镀材料在先进封装中主要应用于TSV、TGV等通孔金属电镀填充、凸点电镀及晶圆级封装的RDL工艺中，主要包括电镀液、电镀阳极材料等。依据所需电镀的金属是单质金属或是合金，电镀材料又可划分为单质电镀体系材料和合金电镀体系材料。

1）通孔铜电镀材料

电镀液是电镀过程中最重要的原材料之一，在通孔铜电镀工艺中，电镀液的主要成分包括铜离子（影响表面铜生长致密度及深孔铜填充）、硫酸根离子（提高导电率）、氢离子、微量的氯离子（提高阳极铜的溶解速度）等。此外，添加剂也是电镀液中重要的辅助成分，如整平剂、抑制剂、光亮剂等。在电镀过程中，添加剂会随电化学反应的进行而逐渐产生损耗，需依据损耗情况适时进行补充，确保电镀过程的顺利进行。

目前，电镀液的国外供应商主要包括上村、安美特、乐思化学、陶氏化学、罗门哈斯等，国内的主要供应商为上海新阳等。

2）凸点电镀材料

凸点是先进封装中2.5D及3D封装的重要互连介质，用于提供封装时电气连接、机械连接和散热通道等功能，实现扇入扇出封装、3D堆叠封装、倒装封装等形式中的芯片与芯片及芯片与晶圆间的互连。

凸点制备的工艺方法主要包括：电镀凸点制备、丝网印刷凸点制备、激光植球凸点制备等。电镀凸点制备具有小型化、高可靠性、易制备等优势，常用于满足高精度、低球径、大批量凸点制备需求。

凸点材料通常可分为单质金属凸点材料（主要包括铜、镍、锡、金等）和共晶合金凸点材料（主要包括铅锡、金锡、银锡、锡铜、银锡铜等）两大类。

通常，电镀凸点的制备流程为：首先电镀铜形成凸点主体结构，然后电镀锡或锡银等合金材料，最后经过真空回流工艺形成凸点结构。

凸点制备过程中，电镀锡所使用的电镀材料及注意事项与通孔铜电镀相似，所使用的电镀液体系多为基于甲基磺酸的纯锡电镀液（在使用时需搭配表面活化剂及抗氧化剂等添加剂，以提高电镀效果）。多数情况下，阳极材料即为阴极电镀层金属的来源，因此电镀工艺中多采用与阴极电镀层金属相同的材料或不溶性的金属材料作为电极。例如，铜电镀工艺中的阳极电极通常就采用高纯无氧铜或磷铜；锡电镀工艺中往往采用纯锡作为阳极材料。合金电镀往往采用合金材料作为阳极，但由于合金中多种金属离子在电镀过程中的损耗速度通常不同，因此需要根据损耗情况进行补充，或采用不溶性材料作为合金电镀的阳极材料。

（4）临时键合胶

在先进封装及MEMS工艺制程中，存在多种超薄裸片封装及超薄微纳结构制备的需求，通常采用临时键合的方式，即将超薄晶圆临时键合于载片上进行工艺，并在工艺结束后解键合。临时键合胶是临时键合工艺中的核心。

常见的可用于临时键合工艺的临时键合胶简介：

五、相关设备与材料概况

亚太地区依托制造产能集中和人力成本较低等优势，已成为全球集成电路封测业的产能集聚地，并吸引了半导体整体产能的转移。中国台湾地区集成电路封测专业代工企业包括日月光集团（已完成对矽品的并购）、力成、欣邦、台积电等。

封装设备供给情况：目前，高端封装设备被日本、欧洲和美国垄断，像划切、减薄、自动化键合等设备仍存在被断供的风险。不过，国内已有部分企业相继进入封装设备领域，且相当一部分封装设备已能够实现自给自足，并不断朝着高端设备进行迭代研发。先进封装的发展不仅推动了封装设备需求的增长，还促使传统封装设备“量价齐升”，对封装设备提出了更高的性能要求，并增加了一系列新的设备需求。例如，封装工艺中包含Bump（凸块）、TSV、RDL等新工艺，带来了光刻、回流焊、电镀、键合等一系列新设备需求。

测试设备供给情况：测试机关键环节仍被美国垄断，包括：①高端ATE所用到大量的ASIC芯片，包括高速、高精度ADC和DAC等，例如ADI是MAX9979引脚电子芯片的独家供应商；②高精度机械模块（如Microsense的电容式位移传感器）。测试机芯片一般制程要求不高，目前常见的工艺节点为45nm，但ATE客户需要有清晰的芯片功能需求，才能委托芯片设计公司产出专用芯片。从商业角度来看，还要有足够的需求量或利润量来驱动芯片设计公司做这种芯片的研发、设计、生产、制造。

封装材料供给情况：封装材料市场的增长主要受有机基板、引线框架和键合线领域的推动。其受益于大数据、HPC、人工智能、边缘计算、先端存储器、5G基础设施的扩建、5G智能手机的采用、电动车使用率增长和汽车安全性强化功能等。根据材料的基本类别和封装对相应材料的需求，封装材料可分为封装基板、引线框架、键合线、封装树脂、封装陶瓷和芯片黏结材料等。其中，封装基板是半导体封装材料中占比最高的耗材，价值量占比接近1/3。

封装材料中的价值占比（2021年）：

全球封装基板厂商主要集中于日韩，主要原因是高技术门槛和长时间的高研发投入需求。全球前十大厂商欣兴电子、Ibiden、三星电机、景硕、南亚电子、新光电气、信泰、大德、日月光和京瓷，共占比超过80%。封装基板行业与PCB行业相比集中度更高。国产封装基板占全球市场的份额一直较低（占比仅4%），而PCB的市场份额占比已超过50%，相较而言，封装基板的国产化还有很大的发展空间。（此比例有待核准）

动态：

（本文完）