作為半導(dǎo)體制造的后工序，封裝工藝包含背面研磨(Back Grinding)、劃片(Dicing)、芯片鍵合(Die Bonding)、引線鍵合(Wire Bonding)及成型(Molding)等步驟。這些工藝的順序可根據(jù)封裝技術(shù)的變化進(jìn)行調(diào)整、相互結(jié)合或合并。今天，我們將介紹芯片鍵合(die bonding)工藝，采用這種封裝工藝可在劃片工藝之后將從晶圓上切割的芯片黏貼在封裝基板（引線框架或印刷電路板）上。

1.什么是鍵合(Bonding)？

在半導(dǎo)體工藝中，“鍵合”是指將晶圓芯片固定于基板上。鍵合工藝可分為傳統(tǒng)方法和先進(jìn)方法兩種類型。傳統(tǒng)方法采用芯片鍵合(Die Bonding)（或芯片貼裝(Die Attach)）和引線鍵合(Wire Bonding)，而先進(jìn)方法則采用IBM于60年代后期開發(fā)的倒裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)技術(shù)。倒裝芯片鍵合技術(shù)將芯片鍵合與引線鍵合相結(jié)合，并通過在芯片焊盤上形成凸塊(Bump)的方式將芯片和基板連接起來。



圖1. 鍵合類型

就像發(fā)動機(jī)用于為汽車提供動力一樣，芯片鍵合技術(shù)通過將半導(dǎo)體芯片附著到引線框架(Lead Frame)或印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)上，來實現(xiàn)芯片與外部之間的電連接。完成芯片鍵合之后，應(yīng)確保芯片能夠承受封裝后產(chǎn)生的物理壓力，并能夠消散芯片工作期間產(chǎn)生的熱量。必要時，必須保持恒定導(dǎo)電性或?qū)崿F(xiàn)高水平的絕緣性。因此，隨著芯片尺寸變得越來越小，鍵合技術(shù)變得越來越重要。

2. 芯片鍵合步驟

在芯片鍵合過程中，首先需在封裝基板上點上粘合劑。接著，將芯片頂面朝上放置在基板上。與此相反，倒裝芯片鍵合則是一種更加先進(jìn)的技術(shù)，首先，將稱為“焊球(Solder Ball)”的小凸塊附著在芯片焊盤上。其次，將芯片頂面朝下放置在基板上。在這兩種方法中，組裝好的單元將經(jīng)過一個被稱為溫度回流(Temperature Reflow)的通道，該通道可隨著時間的推移調(diào)節(jié)溫度，以熔化粘合劑或焊球。然后，在其冷卻后將芯片（或凸塊）固定到基板上。

圖2. 芯片鍵合與倒裝芯片鍵合之間的比較

3．芯片拾取與放置(Pick & Place)

逐個移除附著在切割膠帶上數(shù)百個芯片的過程稱為“拾取”。使用柱塞從晶圓上拾取合格芯片并將其放置在封裝基板表面的過程稱為“放置”。這兩項任務(wù)合稱為“拾取與放置”，均在固晶機(jī)1*上完成。完成對所有合格芯片的芯片鍵合之后，未移除的不合格芯片將留在切割膠帶上，并在框架回收時全部丟棄。在這個過程中，將通過在映射表2*中輸入晶圓測試結(jié)果（合格/不合格）的方式對合格芯片進(jìn)行分類。



圖3. 芯片拾取和放置 1*固晶機(jī)(Die bonder)：用于芯片鍵合的裝置。

2*映射表(Mapping Table)：用于設(shè)定合格和不合格芯片標(biāo)準(zhǔn)的軟件。

4. 芯片頂出(Ejection)工藝

完成劃片工藝之后，芯片將被分割成獨立模塊并輕輕附著在切割膠帶(Dicing Tape)上。此時，逐個拾取水平放置在切割膠帶上的芯片并不容易。因為即使使用真空也很難輕易拾取芯片，如果強(qiáng)行拉出，則會對芯片造成物理損壞。



圖4. 芯片頂出工藝：在三個方向施加力時的放大圖

為此，可采用“頂出(Ejection)工藝”，通過頂出裝置3*對目標(biāo)芯片施加物理力，使其與其他芯片形成輕微步差，從而輕松拾取芯片。頂出芯片底部之后，可使用帶有柱塞的真空吸拾器從上方拉出芯片。與此同時，使用真空吸拾器將切割膠帶底部拉起，以使晶圓保持平整。

3*頂出裝置(Ejector)：用于從切割膠帶下方頂起芯片的頂針。

5. 使用環(huán)氧樹脂(Epoxy)實現(xiàn)粘合的芯片鍵合工藝

在執(zhí)行芯片鍵合時，可使用金或銀（或鎳）制成合金，特別是對于大型密封封裝。也可通過使用焊料或含有金屬的糊劑（Power Tr）進(jìn)行連接，或使用聚合物-聚酰亞胺(Polymer, Polyimide)進(jìn)行芯片鍵合。在高分子材料中，含銀糊狀或液體型環(huán)氧樹脂(Epoxy)相對易于使用且使用頻率較高。

使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行芯片鍵合時，可將極少量環(huán)氧樹脂精確地點在基板上。將芯片放置在基板上之后，通過回流(Reflow)或固化(Curing)，在150°C至250°C的溫度條件下使環(huán)氧樹脂硬化，以將芯片和基板粘合在一起。此時，若所使用環(huán)氧樹脂的厚度不恒定，則會因膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致翹曲(Warpage)，從而引起彎曲或變形。因此，盡管使用少量環(huán)氧樹脂較為有利，但只要使用環(huán)氧樹脂就會發(fā)生不同形式的翹曲。

正因為如此，一種使用晶片黏結(jié)薄膜（Die Attach Film, DAF）的先進(jìn)鍵合方法成為近年來的首選方法。盡管DAF具有價格昂貴且難以處理的缺點，但卻易于掌握使用量，簡化了工藝，因此使用率正在逐漸增加。

6. 使用晶片黏結(jié)薄膜（DAF）的芯片鍵合工藝

DAF是一種附著在晶粒底部的薄膜。相比高分子材料，采用DAF可將厚度調(diào)整至非常小且恒定的程度。DAF不僅應(yīng)用于芯片和基板之間的鍵合，還廣泛應(yīng)用于芯片與芯片之間的鍵合，從而形成多晶片封裝（MCP）。換句話說，緊密粘合在芯片上的DAF等待切割工藝完成，然后在芯片鍵合過程中發(fā)揮自身的作用。



圖5. 使用晶片黏結(jié)薄膜（DAF）的芯片鍵合工藝

從切割芯片的結(jié)構(gòu)來看，位于芯片底部的DAF支撐著芯片，而切割膠帶則以弱粘合力牽拉著位于其下方的DAF。在這種結(jié)構(gòu)中，要進(jìn)行芯片鍵合，就需要在移除切割膠帶上的芯片和DAF之后立即將晶粒放置在基板上，并且不得使用環(huán)氧樹脂。由于在此過程中可跳過點膠工序，因此環(huán)氧樹脂的利弊被忽略，取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF時，部分空氣會穿透薄膜，引起薄膜變形等問題。因此，對處理DAF的設(shè)備的精度要求格外高。盡管如此，DAF仍然是首選方法，因為它能夠簡化工藝并提高厚度均勻性，從而降低缺陷率并提高生產(chǎn)率。

用于放置芯片的基板類型（引線框架或印刷電路板）不同，執(zhí)行芯片鍵合的方向也存在很大差異。很久以前，基于PCB的基板已經(jīng)因其可應(yīng)用于小尺寸批量生產(chǎn)封裝而得到廣泛使用。相應(yīng)地，隨著鍵合技術(shù)的日益多樣化，用于烘干粘合劑的溫度曲線(Temperature Profile)也在不斷變化。其中一些具有代表性的鍵合方法包括加熱粘接和超聲波粘接。隨著集成技術(shù)的不斷提高，封裝工藝?yán)^續(xù)朝著超薄方向發(fā)展，封裝技術(shù)也變得多樣化。

審核編輯：劉清