一文看懂芯片的封装工艺(先进封装篇1:倒装封装)

[数据库] 时间:2025-11-26 22:30:53 来源:低码探索者 作者:IT资讯 点击:171次

先介绍一下倒装封装。懂芯

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倒装封装(Flip Chip)

业界普遍认为 ,片的篇倒倒装封装是封装封装传统封装和先进封装的分界点 。

上期我们提到,工艺芯片封装发展的先进第三阶段(1990年代),代表类型是装封装BGA(球形阵列)封装。早期的懂芯BGA封装,是片的篇倒WB(Wire Bonding,引线) BGA  ,免费模板封装封装属于传统封装。工艺

后来,先进芯片的装封装体积越来越小,而单颗芯片内的懂芯焊盘数量越来越多(接近或超过1000个)。传统的片的篇倒引线封装,已经无法满足要求 。封装封装

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” ,云计算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。

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WB BGA与FC BGA

我们来看看具体的工艺流程 。

以FC BGA为例。模板下载前面减薄、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,高防服务器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),香港云服务器采用高深宽比 、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 。服务器租用

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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) :

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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。

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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。

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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 。

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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 。

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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。

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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。

(责任编辑:物联网)

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