一、半导体封装技术简介

从事半导体行业，尤其是半导体封装行业的人，总绕不开几种封装工艺，那就是芯片粘接、引线键合、倒装连接技术。

尤其以引线键合(Wire Bonding)及倒装连接(Flip Chip Bonding)最为常见，因为载带连接技术(TAB)有一定的局限性，封装上逐渐淘汰了这种技术。

倒装芯片技术是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。引线键合的连接方式是将芯片的正面朝上，通过引线(通常是金线)将芯片与线路板连接。

引线键合、载带连接、倒装连接各有特点。其中倒装连接以结构紧凑，可靠性高在封装行业应用越来越广泛。

二、什么是倒装芯片技术？

倒装芯片技术起源于IBM，IBM公司在1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺。以95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的凸球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接(Controlled collapse Component Connection, 简称C4技术)，该技术最初为自己的大型计算机主机所开发的一种高可靠的封装技术。C4芯片具有优良的电学、热学性能，封装疲劳寿命至少提高10倍以上。

自从IBM研制并成功应用C4技术后，随后的技术发展中，一些半导体公司又对C4技术进行了优化升级，其中包括Fairchild公司研制了Al凸点，Amelco公司研制了Au凸点技术。

半导体封装技术也从QFP(Quad Flat Package方形扁平式)封装工艺发展到BGA(Ball Grid Array球状引脚栅格阵列)封装，到最新的CSP(Chip Scale Package晶圆级)封装。

下图是传统的QFP、BGA等工艺封装后的器件。

伴随半导体芯片体积的逐渐减小，对芯片封装技术要求越来越高，封装技术向着晶圆及封装发展。

在对传统芯片进行封装时，通常是将晶圆进行切割成Die，再对每一个Die进行封装，伴随封装技术的成熟，在最新的半导体封装中，将封装工艺与半导体工艺进行融合，在晶圆上对芯片进行统一封装，再切割形成可靠性更高的独立芯片。

随着倒装技术的成熟应用，目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50%的速度增长，3%的晶圆封装用于倒装芯片凸点技术，几年后可望超过20%。

倒装芯片元件主要用于半导体设备，有些元件，如无源滤波器，探测天线，存储器装备也开始使用倒装芯片技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上。因此，更确切的说，倒装芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下图中CPU及内存条等电子产品是最常见的应用倒装芯片技术的器件。

下图是内存条中存储芯片通过倒装技术与线路板连接，芯片与电路板中间通过填充胶固定。

在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(1mil=25um)厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点。下图是一张典型的倒装连接图，芯片与下方的基板采用倒装方式连接：

先进封装的工艺流程。

第1篇，先介绍一下倒装封装。

倒装封装（Flip Chip）

业界普遍认为，倒装封装是传统封装和先进封装的分界点。

上期我们提到，芯片封装发展的第三阶段（1990年代），代表类型是BGA（球形阵列）封装。早期的BGA封装，是WB （ Wire Bonding，引线） BGA，属于传统封装。

后来，芯片的体积越来越小 ，而单颗芯片内的焊盘数量越来越多（ 接近或超过1000个）。传统的引线封装，已经无法满足要求。

于是，采用倒装技术替换焊线的FC BGA封装，就出现了。

所谓“倒装”，就是在晶粒上创造一些 由焊料制成的“凸点”或“球”。然后，把晶粒反转过来，让凸点对准基板上的焊盘，直接扣在基板上。

通过加热，让熔融的凸点与基板焊盘相结合，实现晶粒与基板的结合。

我们来看看具体的工艺流程。

以FC BGA为例。前面减薄、切割、清洗、光检，和WB BGA（ 传统封装）差不多。

要把晶粒与基板连在一起（后面会说，这叫“键合 ”），开始不一样了。

第一步，是凸点制作（Bumping）。

倒装封装包括热超声、回流焊和热压三种工艺，其凸点分别使用金球、锡球和铜柱。

热超声，是在超声和温度的共同作用下, 将金凸点“粘”在基板的焊盘上。这种方式，适用于I/O密度较小的芯片。

回流焊，是在锡凸点表面涂覆助焊剂，再通过热回流加热，进行焊接。这种方式也适合 I/O密度较小（ 凸点间距 40-50μm）的芯片。

热压（ Thermal Compression Bonding，TCB）， 采用高深宽比、小尺寸的铜柱凸点，直接加热粘结。这种方式能够实现高密度互联，适用于I/O密度较大（ 凸点间距 40-10μm）的芯片。

金 凸点的成本高。相比之下，铜柱凸点的电性能、散热性能比较好，制备难度均衡，成本也比较低，所以用得比较多。

制作凸点的流程比较复杂。其实说白了，就是前面晶圆制造时的那套工艺，例如沉积、光刻、刻蚀等。

沉积包括UBM（ Under Bump Metallization，凸点下金属化层）的沉积和凸点本身的沉积。 UBM位于凸点与芯片焊盘（金属垫，Al pad 铝垫层）之间，起到增强凸点附着力、提高电导率和热导率的作用。

UBM的沉积，通常采用 溅射（ Sputtering）、 化学镀（ Electroless）、 电镀（ Electroplating）的方式实现。

凸点本身的沉积，通常采用电镀、印刷、蒸镀、植球的方式实现（前两者比较常见）。

大致的流程，看下面的示例图应该能懂（不懂的话，可以回顾晶圆制造那一期的内容）：

比较特别的是，最后多了一个步骤——“回流 ”，把锡帽变成了子弹头形状。

第二步，是对准和贴装。

简单来说，就是使用精密的贴装设备，将晶粒上的凸点与基板上的焊盘进行精确对准，然后通过回流焊等工艺，实现凸点与焊盘的连接。

回流焊的大致过程：

先将晶粒（芯片）的凸点沾上助焊剂，或者在基板上加定量的助焊剂。助焊剂的作用，是去除金属表面氧化物并促进焊料流动。

然后，用贴片设备将晶粒精准地放到基板上。

接下来，将晶粒和基板整体加热（回流焊），实现凸点和焊盘之间的良好浸润结合（温度和时长需要严格控制）。

最后，清洗去除助焊剂，就OK了。

凸点数量较多、间距较小时，回流焊容易导致出现翘曲和精度问题。于是，这个时候就可以用热压（TCB）工艺。

前文提到，热压（TCB）工艺非常适合更多凸点、更小凸点间距的芯片。它利用高精度相机完成芯片间的对准，并通过控制热压头的压力与位移接触基座，施加压力并加热，实现连接。（后续我们讲混合键合，会再提到热压。）

第三步，底部填充。

连接之后，大家会注意到，晶粒和基板之间的区域是空心结构。（芯片底部的焊球分布区，也叫C4区域， Controlled Collapse Chip Connection， “可控塌陷芯片连接”。）

为了避免后续出现 偏移、冷焊、桥接短路等质量问题，需要对空心部分进行填充。

填充 和传统封装的塑封有点像，使用的是填充胶（ Underfill ）。 不仅能够固定晶粒，防止移动或脱落，还能够吸收热应力和机械应力，提高封装的可靠性。

底部填充工艺一般分为三种：毛细填充（流动型）、无流动填充和模压填充。

一般来说，倒装封装都是以毛细填充为主。方法比较简单： 清洗助焊剂之后，沿着芯片边缘，注入底部填充胶。底部填充 胶借助毛细作用，会被吸入芯片和基板的空隙内，完成填充。

填充之后，还要进行固化。 固化的温度和时间，取决于填充胶的种类和封装要求。

以上，就是倒装封装（凸点工艺）的大致流程。

相比传统封装，倒装封装的优势非常明显：

1. 能够实现高密度的I/O电气连接，有利于减小芯片的体积。
2. 凸点连接，相比引线，可靠性也更强。
3. 信号传输路径大大缩短， 减少寄生电容和电感，提高信号的完整性。
4. 晶粒和基板直接接触，热量能够快速传导并散发出去。

凸点（bump）的制造过程与晶圆制造（ 前道）过程非常相似，本身又介于晶圆制造（ 前道）和封装测试（ 后道）之间。所以，也被称作“中道”工序。

后面会提到的TSV和RDL，也是中道工序。

最近这十几年，先进封装高速发展，凸点工艺也一直在演进。

从球栅阵列焊球（BGA Ball）到倒装凸点（FC Bump），再到微凸点（μBump），凸点的尺寸在不断缩小，技术难度也在不断升级。

后续小枣君要提到的芯片堆叠、还有立体封装（2.5D/3D），很多都是以凸点工艺为基础。它的重要性不言而喻，请大家一定要注意。

键合

插播一个概念——键合（Bonding）。

上期小枣君介绍了传统封装里的引线封装。刚才，又介绍了倒装封装。

这种将晶圆和晶圆、晶圆和基板“粘贴”在一起的做法，有一个专门的名字，就是键合。

引线封装，叫引线键合。倒装封装，叫倒装键合。

除了这两种键合之外，还有：载带自动键合、混合键合、临时键合等。

· 载带自动键合

载带自动键合（Tape Automated Bonding，TAB ），是一种将芯片组装到柔性载带上的芯片封装键合技术。

载带自动键合与引线键合非常类似，主要区别在于引线键合中，芯片的载体是引线框架或者PCB基板。而 载带自动键合，用的是柔性载带。

载带既作为芯片的支撑体，又作为芯片与外围电路连接的引线。

载带自动键合包括以下5个步骤：

1、制作载带：载带其实就是铜箔材料。 将铜箔贴合在聚酰亚胺胶带上，经过光刻和蚀刻，形成固定的、精细的导电图形，并制作定位孔和引线窗口，就变成了载带。

2、内引线键合（ILB，Inner Lead Bonding）： 将预先形成焊点的芯片精确定位后，采用热压或热超声方式同时将所有内引线与芯片焊盘连接。

3、对准和贴装：将芯片贴装在基板上。

4、外引线键合（OLB，Outer Lead Bonding）：将载带与基板或PCB对准，通常采用热压方式实现批量键合。

5、注塑保护：这个和引线键合流程差不多，就是形成保护层。

相比于引线键合，载带自动键合适合高密度、细间距的封装要求，具有不错的电气性能和散热性能，适合LCD驱动器等高密度引线连接场合。

在传统、低成本应用中，载带自动键合凭借工艺简单、技术成熟的特点，仍有一定优势。但现在都是更高性能、更高密度封装时代， 载带自动键合在应用和普及上，肯定还是不如倒装键合。

混合键合、临时键合，这两个概念非常重要。后续讲到立体封装时，小枣君会详细介绍。

CSP（芯片级封装）

再插播一个概念——CSP（ Chip Scale Package，芯片级封装 ）。

前面几期里，提到过CSP，说CSP是芯片小型化封装的一种方式。

CSP是BGA之后开始崛起的。主要原因，就是因为数码产品小型化、便携化，对芯片体积提出了要求。

CSP封装， 锡球间隔及直径更小，芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14，已经相当接近 1:1 的理想情况，约为普通BGA封装的1/3。

和BGA一样，CSP也分为WB CSP和FC CSP。

通常来说，FC CSP较多应用于移动设备（例如手机）的AP、基带芯片。而FC BGA，较多应用于PC、服务器的CPU、GPU等高性能芯片。

PCB布局中的芯片板载

在芯片板上方法中，一个带有裸露触点的半导体芯片直接焊接到PCB上。换句话说，没有引线框架（用于线键合）、无陶瓷/环氧封装，也没有介质/基板。芯片一旦连接，可以直接使用环氧封装剂封装在PCB上，这样可以保护芯片和任何线结合焊盘免受损坏。

在标准PCB上放置和安装芯片有两种常见方法：

直接从PCB到芯片的线接合

翻转芯片组件，芯片类似于BGA封装的基板

安装和组装完成后，芯片通常被环氧材料或贴合涂层封装，每种材料均可通过热固化或紫外固化。在印刷电路板布局中，最重要的设计点是使芯片能够与PCB连接的占地面积。

翻盖芯片示例

下图展示了一个带有翻转芯片（有时称为板上翻转芯片（flip-chip onboard，FCOB）的例子。图中展示了一个未封装的芯片，直接焊接在PCB上，类似于BGA扇形板的焊接方式。这里一个重要的材料是底填充，它封装焊点并保护其免受过度机械应力。PCB层压材料可以是标准FR4级材料，也可以是更专业的材料（如Flex、PTFE等）。

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在这种方法中，封装设计需要类似于BGA封装，但组装工艺不同。在FCOB中，焊锡会直接焊在PCB上，而不是直接连接在芯片上。芯片会像放置其他SMD元件一样，并与其他元件一起进行回流。因此，需要一定程度的封装DFA，以确保组装的可靠性。

我建议遵循类似的BGA焊盘尺寸指南，但基于凸起大小而非球形。接着需要使用焊锡掩膜和焊膏掩膜，将裸露焊盘尺寸调整到BGA通常使用的范围内。如果焊锡间距足够大，导致焊锡掩层有较大的焊锡滑片，则使用焊锡掩盖作为阻焊垫（SMD焊盘）。否则，使用NSMD焊盘防止焊锡掩膜在凸起间剥落。

线键合示例

下图展示了一个线路粘接的示例。在这个例子中，一个芯片连接垫直接焊接在PCB上，线路结合体连接在芯片周围的焊盘和芯片上的触点之间。在这种设计中，强烈建议用环氧树脂封装，以保护线路结合和芯片免受环境暴露。这主要能防止腐蚀，同时保护线路免受机械损伤。

在为PCB中线键焊垫设计封面时，焊盘通常尺寸较大，这一点在上图中可以清楚看到。需要考虑的封装参数包括：

接触焊盘尺寸

接触垫音高

接触焊盘形状

方形焊盘是可以接受的，尽管矩形焊盘在芯片封装完成后（如QFN或LQFP封装中）可能会模拟元件所用焊盘的尺寸。用于连接导线与PCB的接触球非常细，宽度可达20至30微米。相应的接触焊盘宽度可为50至150微米，焊盘间距也使用相同数值。利用焊盘的间距和尺寸数值，您可以在PCB封装中布置出一系列焊盘用于线结合。

FlipChip封装技术的优点和缺点

优点：

尺寸紧凑：FlipChip封装技术可以使电子产品的小型化和轻量化得以实现，显著减小电子产品的尺寸和厚度。

电性能优良：由于芯片直接与封装基板接触，信号传输距离缩短，从而减少了电阻、电感等不良影响，提高了芯片的电性能。

散热效率高：散热问题在FlipChip封装技术中得到了缓解，因为芯片直接与封装基板接触，有利于提高芯片的稳定性和可靠性。

抗冲击性强：芯片与封装基板紧密结合，提高了抗冲击性，这对于移动设备和工业应用等领域具有重要意义。

成本较低：FlipChip封装技术可以简化封装流程，减少所需材料和设备，降低生产成本。

缺点：

设计难度大：在采用FlipChip封装技术时，需要在设计阶段考虑封装布局和连接方式，这增加了设计复杂性和挑战性。

连接方式要求精确：芯片和封装基板之间的连接方式需要精确控制，以确保可靠性和稳定性。

成本较高：虽然总体成本可能降低，但在生产过程中可能需要更高级别的设备和技术，导致成本增加，尤其是在规模较小的生产批量情况下。

散热管理挑战：由于倒装芯片的背面无法自由散热，需要采取额外的散热措施来维持芯片温度稳定，否则可能会导致过热问题。

机械脆弱性：芯片直接暴露在外，容易受到机械应力和物理损伤的影响，可能导致芯片可靠性和寿命下降。

参考文献：

1. 《芯片制造全工艺流程》，半导体封装工程师之家；
2. 《 一文读懂芯片生产流程》，Eleanor羊毛衫；
3. 《 不得不看的芯片制造全工艺流程》，射频学堂；
4. 《 摩尔定律重要方向，先进封装大有可为》，华福证券 ；
5. 《 什么是芯片封装中的底部填充胶》， 半导体封装工程师之家；
6. 《 混合键合，会取代TCB吗？》，半导体行业观察；
7. 《 一文了解载带自动焊接(TAB)技术 》，小陈婆婆，学习那些事；
8. 《 先进封装之芯片热压键合简介》，失效分析工程师赵工；
9. 《 技术发展引领产业变革，向高密度封装时代迈进》，华金证券；
10. 《 先进封装高密度互联推动键合技术发展，国产设备持续突破 》，东吴证券；
11. 《 算力时代来临，Chiplet 先进封装大放异彩》，民生证券；
12. 《 先进封装设备深度报告》，华西证券；
13. 《 芯片热管理，倒装芯片封装“难”在哪？》，道芯IC；
14. 维基百科、百度百科、各厂商官网。
    
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