一文看懂芯片的封装工艺（先进封装篇1：倒装封装）

之前讲了封装的基础知识，还有传统封装的工艺流程：

今天开始，连续三篇，小枣君重点讲讲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。

WB BGA与FC BGA

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。

电子显微镜下的凸点

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：

回流焊流程

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。

热压流程

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。

3D封装中的微凸点（μBump）

█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。

载带自动键合

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。

这个知识点大家知道一下就好，不算重点。

好了，今天先讲到这里。

明天是先进封装的第2期，晶圆级封装。后天是先进封装的第3期，也是最后一期，2.5D/3D封装。 RDL、TSV/TGV、混合键合、临时键合等关键概念，都会进行详细介绍。

敬请期待！

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。