傳統(tǒng)封裝組裝方法概述

圖1顯示了塑料封裝的組裝工藝，塑料封裝是一種傳統(tǒng)封裝方法，分為引線框架封裝（Leadframe Package）和基板封裝（Substrate Package）。這兩種封裝工藝的前半部分流程相同，而后半部分流程則在引腳連接方式上存在差異。

▲圖1：引線框架封裝和基板封裝的組裝步驟（? HANOL出版社）

晶圓經(jīng)過(guò)測(cè)試后，首先要經(jīng)過(guò)背面研磨（Backgrinding），以達(dá)到所需厚度；然后進(jìn)行晶圓切割（Wafer Sawing），將晶圓切割成芯片；選擇質(zhì)量良好的芯片，通過(guò)芯片貼裝（Die Attach）工藝將芯片連接到引線框架或基板上；之后通過(guò)引線鍵合（Wire Bonding）的方式實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的電氣連接；最后使用環(huán)氧樹(shù)脂模塑料（EMC）進(jìn)行密封保護(hù)。引線框架封裝和基板封裝在前半部分流程中均采用上述步驟。

在后半部分流程中，引線框架封裝采用如下步驟：通過(guò)切筋（Trimming）1的方式將引線分離；通過(guò)電鍍（Solder Plating）將錫球置放至引線末端；最后是成型（Forming）工藝，成型工藝將封裝分離為獨(dú)立單元，并彎曲引線，以便將它們連接到系統(tǒng)板上。而對(duì)于基板封裝，則是在進(jìn)行植球（Solder Ball Mounting），即錫球被焊接在基板焊盤(pán)上之前，先完成模塑；之后進(jìn)行切割，成為獨(dú)立封裝，也可稱(chēng)之為切單（Singulation）。接下來(lái)的內(nèi)容中，將闡述傳統(tǒng)封裝方法的組裝工藝，并重點(diǎn)介紹基板封裝的八個(gè)步驟。

1 切筋（Trimming）：一種應(yīng)用于引線框架封裝的工藝，使用剪切沖床去除引線之間的阻尼條。

第一步：背面研磨

背面研磨工藝可確保將晶圓加工成適合其封裝特性的最佳厚度。該工藝包括對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨處理并將其安裝在環(huán)形框架內(nèi)，如圖2所示。

▲圖2：晶圓背面研磨工藝的四個(gè)步驟（? HANOL出版社）

在對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨之前，首先需要在晶圓正面覆蓋一層保護(hù)膠帶，稱(chēng)之為背面研磨保護(hù)膠帶。這是為了防止用于繪制電路的晶圓正面遭受物理性損害。之后使用研磨輪（Grinding Wheel）對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨，使其變得更薄。在這個(gè)過(guò)程中，需要先用高速旋轉(zhuǎn)的粗磨輪去除大部分多余材料；再用細(xì)磨輪對(duì)表面進(jìn)行精磨，以達(dá)到理想厚度；最后使用精拋光墊（Fine Pad）對(duì)晶圓進(jìn)行拋光，使其表面變得光滑。如果晶圓表面粗糙，那么在后續(xù)工藝中施加應(yīng)力（Stress）時(shí)，會(huì)使其更易產(chǎn)生裂痕，導(dǎo)致芯片斷裂。因此，通過(guò)拋光來(lái)防止裂痕形成，對(duì)于減少芯片破損具有重要意義。

對(duì)于單芯片封裝而言，通常需要將晶圓研磨到約200-250微米（μm）的厚度。而對(duì)于堆疊封裝而言，因?qū)⒍鄠€(gè)芯片堆疊在同一封裝體中，所以芯片（晶圓）需要研磨至更薄。然而，研磨晶圓背面所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶圓正面收縮，這樣可能會(huì)引發(fā)晶圓彎曲成弧形；此外隨著晶圓變薄，其彎曲度也會(huì)增加。因此為了保持晶圓平整，首先需要在晶圓背面貼上承載薄膜（Mounting Tape），然后將其固定在環(huán)形框架內(nèi)。最后，去除用于保護(hù)晶圓正面器件的背面研磨保護(hù)膠帶，露出半導(dǎo)體器件，背面研磨工藝即視為完成。

第二步：晶圓切割/分割

晶圓切割是指沿著晶圓上的劃片槽（Scribe Lane）2進(jìn)行切割，直到分離出芯片的工藝，也被稱(chēng)為劃片工藝。晶圓切割是芯片封裝工藝的必要工序。

圖3給出了使用刀片切割法將晶圓分割為芯片的示例。在這種晶圓切割方法中，使用輪狀鋸片來(lái)切割和分離晶圓。這種鋸片采用高硬度的金剛石刀頭沿著晶圓劃片線切割，晶圓格狀劃片線如圖左側(cè)所示。由于鋸片旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生容差3，因此劃片線寬度必須超過(guò)砂輪厚度。

2 劃片槽（Scribe Lane）：從晶圓上切割芯片時(shí)，既不影響附近器件，又可滿(mǎn)足切片分布所需的足夠?qū)挾鹊目臻g。

3 容差：性能差異導(dǎo)致的空間或數(shù)字上的誤差范圍。

▲圖3：通過(guò)刀片切割工藝將晶圓切割成芯片（? HANOL出版社）

刀片切割存在一個(gè)問(wèn)題：由于切割過(guò)程中刀片直接接觸晶圓，因此當(dāng)晶圓變得越來(lái)越薄時(shí)，發(fā)生斷裂的可能性也隨之增加。而另一種晶圓切割方法——激光切割（Laser Dicing），在切割過(guò)程中則無(wú)需直接接觸晶圓，而是在晶圓背面利用激光來(lái)完成切割，可非常有效地解決斷裂問(wèn)題。因?yàn)榧す馇懈罟に嚹鼙M量避免對(duì)晶圓表面造成損害，可以保持芯片的堅(jiān)固性，所以它更適用于切割較薄的晶圓。

隨著晶圓厚度越來(lái)越小，先切割后研磨（DBG）這一方法從而被提出。DBG在晶圓切割過(guò)程中采取了相反的順序，以減少芯片損壞。傳統(tǒng)工藝先對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨，再對(duì)晶圓進(jìn)行切割；而DBG則先對(duì)晶圓進(jìn)行部分切割，再對(duì)晶圓背面進(jìn)行研磨，最后通過(guò)承載薄膜擴(kuò)張法（MTE）4使其被徹底切割。

4 承載薄膜擴(kuò)張法（MTE）：利用激光進(jìn)行隱形切割并在晶圓上形成凹槽后，使貼在晶圓上的承載薄膜出現(xiàn)擴(kuò)張。然后，在相應(yīng)區(qū)域施加作用力，使晶圓分割成芯片。

第三步：芯片貼裝

如圖4所示，芯片貼裝是指從承載薄膜上拾取經(jīng)過(guò)晶圓切割后的芯片，并將其貼裝在涂有粘合劑的基板或引線框架上的工藝。

▲圖4：芯片貼裝工藝（? HANOL出版社）

晶圓切割的過(guò)程中，需防止已切割的芯片從承載薄膜上脫落；而貼裝的過(guò)程，則須將芯片從承載薄膜上順利剝離。如果承載薄膜的黏附力太強(qiáng)，在剝離過(guò)程中可能會(huì)對(duì)芯片造成損壞。因此在晶圓切割過(guò)程中需確保粘合劑具有較強(qiáng)的粘合力；而在貼片之前，需用紫外線對(duì)晶圓進(jìn)行照射，以減弱其粘合力，此時(shí)，只需從承載薄膜上剝離通過(guò)晶圓測(cè)試的芯片即可。

剝離出來(lái)的芯片必須使用粘合劑重新貼裝到基板上，由于粘合劑的類(lèi)型不同，所需的貼裝工藝也有所不同。如果使用液體粘合劑，則必須使用類(lèi)似于注射器的點(diǎn)液器或通過(guò)網(wǎng)板印刷（Stencil Printing）5提前將粘合劑涂在基板上。而固體粘合劑通常做成膠帶的形式，也被稱(chēng)為晶片黏結(jié)薄膜（Die Attach Film, DAF）或晶圓背面迭片覆膜（WBL），則更適用于堆疊封裝。在完成背面研磨后，在承載薄膜和晶圓背面之間粘貼晶片黏結(jié)薄膜；切割晶圓時(shí)，晶片黏結(jié)薄膜也會(huì)同時(shí)被切割；由于晶片黏結(jié)薄膜會(huì)連同其粘接的芯片一起脫落，因此可將晶片黏結(jié)薄膜粘接到基板上或其他芯片上。

5 網(wǎng)板印刷（Stencil Printing）：一種使用鏤空模板將糊狀材料涂抹到諸如基板等器件的印刷方法。

第四步：互連

互連是指芯片之間、芯片與基板之間，以及封裝體內(nèi)其它組合間的電氣連接。接下來(lái)將介紹引線鍵合及倒片鍵合（Flip Chip Bonding）這兩種互連方式。

▲圖5：引線鍵合工藝的七個(gè)步驟（? HANOL出版社）

引線鍵合

引線鍵合是使用金屬線，利用熱、壓力和振動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣連接的工藝。金屬引線的材質(zhì)通常為金（Au），因?yàn)榻鹁哂辛己玫膶?dǎo)電性和延展性。引線鍵合類(lèi)似于縫紉，金屬引線充當(dāng)縫線，毛細(xì)管劈刀（Capillary）6充當(dāng)縫針。引線宛如紗線纏繞在線軸并安裝到設(shè)備上，之后將引線拉出，穿過(guò)毛細(xì)管劈刀正中央的小孔，在毛細(xì)管劈刀末端形成尾線。當(dāng)采用電子火焰熄滅工藝（EFO）7在引線末端制造出強(qiáng)烈的電火花時(shí)，尾線部分將熔化并凝固，在表面張力作用下形成無(wú)空氣球（FAB，F(xiàn)ree Air Ball）。

FAB制作完成后需對(duì)其施壓，使其粘合至焊盤(pán)，即完成一次球鍵合（Ball Bonding）。毛細(xì)管劈刀在基板移動(dòng)時(shí)，引線會(huì)像縫線一樣被拉出，形成一個(gè)引線環(huán)。向引線施加力量，將其按壓到基板上的電氣連接插腳，即金手指（Bond Finger），以此來(lái)實(shí)現(xiàn)針腳式鍵合（Stitch Bonding）8。針腳式鍵合后，向后拉緊引線，形成尾線，最后斷開(kāi)尾線，以完成芯片與基板間連接過(guò)程的最后一步。在引線鍵合過(guò)程中，其它芯片焊盤(pán)和基板金手指之間同樣重復(fù)以上過(guò)程。

6 毛細(xì)管劈刀（Capillary）：引線鍵合設(shè)備中輔助引線連接芯片電極與引線端子的工具。

7 電子火焰熄滅（EFO）：用電火花熔化引線形成無(wú)空氣球的工藝。

8 針腳式鍵合（Stitch Bonding）：在半導(dǎo)體封裝過(guò)程中，通過(guò)按壓方式將引線鍵合到焊盤(pán)上。

倒片鍵合和底部填充

倒片鍵合是通過(guò)在芯片頂部形成的凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣和機(jī)械連接。因此，倒片鍵合的電氣性能優(yōu)于引線鍵合。倒片鍵合分為兩種類(lèi)型：批量回流焊工藝（Mass Reflow，MR）和熱壓縮工藝（Thermo Compression）。批量回流焊工藝通過(guò)在高溫下熔化接合處的錫球，將芯片與基板連接在一起。而熱壓縮工藝則通過(guò)向接合處施加熱量和壓力，實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的連接。

僅僅依靠凸點(diǎn)無(wú)法處理芯片和基板之間因熱膨脹系數(shù)（CTE）9差異所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此需要采用底部填充工藝，使用聚合物填充凸點(diǎn)間隙，以確保焊點(diǎn)可靠性。填充凸點(diǎn)間隙的底部填充工藝主要有兩種：一是后填充（Post-Filling），即在倒片鍵合之后填充材料；二是預(yù)填充（Pre-Applied Underfill），即在倒片鍵合之前填充材料。此外，根據(jù)底部填充方法的不同，可將后填充分為毛細(xì)管底部填充（Capillary Underfill，CUF）和模塑底部填充（Molded Underfill，MUF）。毛細(xì)管底部填充是在倒片鍵合后，使用毛細(xì)管劈刀沿著芯片的側(cè)面注入底部填充材料以填補(bǔ)凸點(diǎn)間隙；而模塑底部填充則是在倒片鍵合后，將環(huán)氧樹(shù)脂模塑料作為底部充填材料來(lái)發(fā)揮填充作用。

9 熱膨脹系數(shù)（CTE）：一種材料性能，用于表示材料在受熱情況下膨脹的程度。

本文內(nèi)容源于【SKhynix NEWSROOM】

審核編輯：湯梓紅