文章來(lái)源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了芯片鍵合技術(shù)。

在半導(dǎo)體封裝工藝中，芯片鍵合（Die Bonding）是指將晶圓芯片固定到封裝基板上的關(guān)鍵步驟。鍵合工藝可分為傳統(tǒng)方法和先進(jìn)方法：傳統(tǒng)方法包括芯片鍵合（Die Bonding）和引線鍵合（Wire Bonding），而先進(jìn)方法主要指IBM在1960年代開(kāi)發(fā)的倒裝芯片鍵合（Flip Chip）。倒裝芯片鍵合結(jié)合了模具鍵合和導(dǎo)線鍵合，通過(guò)在芯片襯墊上形成凸起來(lái)連接芯片和襯底。

芯片鍵合的重要性體現(xiàn)在多個(gè)方面：它提供機(jī)械支撐，使芯片牢固附著于封裝載體，抵御外部震動(dòng)和溫度變化；它形成散熱路徑，將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到封裝或散熱層面；它確保精準(zhǔn)定位，為后續(xù)電氣互聯(lián)（如焊線或倒裝焊）奠定基礎(chǔ)；從而提升器件的整體可靠性。如果貼裝不當(dāng)，可能導(dǎo)致后續(xù)工藝偏移或連接失敗，影響器件性能。

主要鍵合方法

芯片鍵合的方法多樣，主要包括膠黏劑貼片、焊料貼片、共晶貼片和倒裝芯片貼片等。

膠黏劑貼片使用環(huán)氧樹(shù)脂或銀膠等半導(dǎo)體膠水進(jìn)行粘接，優(yōu)點(diǎn)包括工藝成熟、適用范圍廣，可在較低溫度下固化；但如果膠水厚度不均，可能因熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致翹曲。

焊料貼片使用金屬焊料（如Sn-Pb、Sn-Ag-Cu或Au-Sn合金）在高溫下熔融，實(shí)現(xiàn)冶金連接，優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)牢固，適合高功率器件；但工藝溫度較高，需控制合金成分以避免空洞缺陷。

共晶貼片采用共晶焊料（如Au-Si、Au-Ge、Au-Sn等）在特定溫度下熔化形成共晶組織，實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，可靠性極佳，但需要精確溫度控制且成本較高。

倒裝芯片貼片是一種先進(jìn)方法，芯片通過(guò)凸塊翻轉(zhuǎn)貼到基板上，通過(guò)回流焊實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這更傾向于芯片互連工藝，但也可視為特殊貼裝方式。

此外，模貼膜（DAF）作為一種先進(jìn)粘合方法，被廣泛使用。DAF是一種附著在芯片底部的薄膜，厚度可調(diào)整到更薄和恒定，不僅用于芯片與襯底的鍵合，還用于芯片與芯片的鍵合以創(chuàng)建多芯片封裝（MCP）。使用DAF可以跳過(guò)點(diǎn)膠程序，避免膠水厚度不均問(wèn)題，但需要高精度設(shè)備處理，且可能因空氣穿透導(dǎo)致薄膜變形。

鍵合工藝流程

芯片鍵合的典型流程包括取放工藝、彈壓和粘合步驟。首先，在取放工藝（Pick & Place）中，設(shè)備從附著在膠帶上的芯片中單獨(dú)取出芯片（稱為“Pick”），然后將其放置在封裝基板表面（稱為“Place”）。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)輸入晶圓測(cè)試結(jié)果（Go/No Go）對(duì)好的芯片進(jìn)行分選。

由于芯片由弱粘性附著在膠帶上，直接取放可能造成物理?yè)p傷，因此常使用彈射（Ejection）方法。彈射器對(duì)目標(biāo)芯片施加物理力，使其與其他芯片產(chǎn)生輕微步長(zhǎng)差異，然后從底部彈出芯片，同時(shí)用真空吸嘴從上面拉起，并用真空拉膠帶底部使薄片平整。

在粘合工藝中，如果使用環(huán)氧樹(shù)脂，需通過(guò)點(diǎn)膠將少量環(huán)氧樹(shù)脂精確涂在基板上，放置芯片后，在150°C至250°C下通過(guò)回流或固化硬化，將芯片和基材粘合。但環(huán)氧樹(shù)脂厚度不恒定可能導(dǎo)致翹曲。因此，DAF方法成為首選：它將芯片和DAF從切丁帶上取下后直接放置在基板上，無(wú)需點(diǎn)膠，簡(jiǎn)化工藝并提高厚度均勻性。

對(duì)于傳統(tǒng)鍵合，首先在封裝基板上涂布粘合劑，然后放上芯片（引腳朝上）；對(duì)于倒裝芯片鍵合，芯片引腳向下，焊料球凸起附著在襯墊上。組裝后單元通過(guò)溫度回流隧道，調(diào)節(jié)溫度以熔化粘合劑或焊料球，然后冷卻固定。

設(shè)備關(guān)鍵組成

Die Bonding設(shè)備由多個(gè)關(guān)鍵模塊組成，確保高精度和自動(dòng)化。晶圓工作臺(tái)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，承載并精確移動(dòng)晶圓，保證芯片準(zhǔn)確定位。芯片鍵合頭是實(shí)現(xiàn)物理連接的關(guān)鍵部件，通過(guò)熱壓、超聲波或激光等方式完成放置和焊接。框架傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)芯片載體的自動(dòng)傳輸與定位，提高生產(chǎn)效率。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)利用高精度相機(jī)和圖像處理算法進(jìn)行定位識(shí)別和質(zhì)量檢測(cè)，是自動(dòng)化生產(chǎn)不可或缺的部分。點(diǎn)膠系統(tǒng)在某些工藝中用于施加黏合劑或?qū)щ娔z，控制膠量以保證鍵合效果。

此外，設(shè)備還包括供料和取片模塊（如頂針或真空吸頭從膠膜上取芯片）、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（識(shí)別芯片和基板標(biāo)記）、貼合頭（施加壓力、溫度或時(shí)間）、基板承載與定位單元（固定和移動(dòng)基板）、以及控制與軟件系統(tǒng)（編排流程和監(jiān)控參數(shù)）。

技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

Die Bonding面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)準(zhǔn)精度與速度需平衡，高精度要求微米級(jí)貼裝，同時(shí)需要高吞吐量；材料兼容與熱膨脹問(wèn)題可能導(dǎo)致應(yīng)力和形變；超薄芯片易彎曲或破裂，搬運(yùn)方式需優(yōu)化；空洞（Void）問(wèn)題在焊料或膠水固化中可能降低接觸面積和可靠性。

應(yīng)對(duì)措施包括采用先進(jìn)視覺(jué)系統(tǒng)和智能算法、優(yōu)化貼片溫度和曲線、使用柔性頂針和真空吸嘴、以及真空貼片或壓力固化排除空氣。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括多芯片異構(gòu)封裝，如系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、Chiplet和3D封裝，要求設(shè)備具備多模塊、多材料貼裝能力；更高精度與自動(dòng)化，結(jié)合AI視覺(jué)識(shí)別和精密運(yùn)動(dòng)控制；超薄與柔性器件貼裝，向非接觸傳輸和低應(yīng)力方向發(fā)展；環(huán)保與低溫貼裝，發(fā)展低溫熔點(diǎn)合金或UV固化工藝。

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