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将芯片固定于封装基板上的工艺——芯片键合(Die Bonding)

By 2021年03月03日 三月 11th, 2021 No Comments

作为半导体制造的后工序,封装工艺包含背面研磨(Back Grinding)、划片(Dicing)、芯片键合(Die Bonding)、引线键合(Wire Bonding)及成型(Molding)等步骤。这些工艺的顺序可根据封装技术的变化进行调整、相互结合或合并。在上一期中,我们介绍了将晶圆切割成单个芯片的划片工艺。今天,我们将介绍芯片键合(die bonding)工艺,采用这种封装工艺可在划片工艺之后将从晶圆上切割的芯片黏贴在封装基板(引线框架或印刷电路板)上。

1. 什么是键合(Bonding)?

图1. 键合类型

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在半导体工艺中,“键合”是指将晶圆芯片固定于基板上。键合工艺可分为传统方法和先进方法两种类型。传统方法采用芯片键合(Die Bonding)(或芯片贴装(Die Attach))和引线键合(Wire Bonding),而先进方法则采用IBM于60年代后期开发的倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)技术。倒装芯片键合技术将芯片键合与引线键合相结合,并通过在芯片焊盘上形成凸块(Bump)的方式将芯片和基板连接起来。

就像发动机用于为汽车提供动力一样,芯片键合技术通过将半导体芯片附着到引线框架(Lead Frame)或印刷电路板(PCB, Printed Circuit Board)上,来实现芯片与外部之间的电连接。完成芯片键合之后,应确保芯片能够承受封装后产生的物理压力,并能够消散芯片工作期间产生的热量。必要时,必须保持恒定导电性或实现高水平的绝缘性。因此,随着芯片尺寸变得越来越小,键合技术变得越来越重要。

2. 芯片键合步骤

图2. 芯片键合与倒装芯片键合之间的比较

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在芯片键合过程中,首先需在封装基板上点上粘合剂。接着,将芯片顶面朝上放置在基板上。与此相反,倒装芯片键合则是一种更加先进的技术,首先,将称为“焊球(Solder Ball)”的小凸块附着在芯片焊盘上。其次,将芯片顶面朝下放置在基板上。在这两种方法中,组装好的单元将经过一个被称为温度回流(Temperature Reflow)的通道,该通道可随着时间的推移调节温度,以熔化粘合剂或焊球。然后,在其冷却后将芯片(或凸块)固定到基板上。

3.芯片拾取与放置(Pick & Place)

图3. 芯片拾取和放置

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逐个移除附着在切割胶带上数百个芯片的过程称为“拾取”。使用柱塞从晶圆上拾取合格芯片并将其放置在封装基板表面的过程称为“放置”。这两项任务合称为“拾取与放置”,均在固晶机1上完成。完成对所有合格芯片的芯片键合之后,未移除的不合格芯片将留在切割胶带上,并在框架回收时全部丢弃。在这个过程中,将通过在映射表2中输入晶圆测试结果(合格/不合格)的方式对合格芯片进行分类。

 

1固晶机(Die bonder):用于芯片键合的装置。
2映射表(Mapping Table):用于设定合格和不合格芯片标准的软件。

4. 芯片顶出(Ejection)工艺

图4. 芯片顶出工艺:在三个方向施加力时的放大图

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完成划片工艺之后,芯片将被分割成独立模块并轻轻附着在切割胶带(Dicing Tape)上。此时,逐个拾取水平放置在切割胶带上的芯片并不容易。因为即使使用真空也很难轻易拾取芯片,如果强行拉出,则会对芯片造成物理损坏。

为此,可采用“顶出(Ejection)工艺”,通过顶出装置3对目标芯片施加物理力,使其与其他芯片形成轻微步差,从而轻松拾取芯片。顶出芯片底部之后,可使用带有柱塞的真空吸拾器从上方拉出芯片。与此同时,使用真空吸拾器将切割胶带底部拉起,以使晶圆保持平整。

 

3顶出装置(Ejector):用于从切割胶带下方顶起芯片的顶针。

5. 使用环氧树脂(Epoxy)实现粘合的芯片键合工艺

在执行芯片键合时,可使用金或银(或镍)制成合金,特别是对于大型密封封装。也可通过使用焊料或含有金属的糊剂(Power Tr)进行连接,或使用聚合物-聚酰亚胺(Polymer, Polyimide)进行芯片键合。在高分子材料中,含银糊状或液体型环氧树脂(Epoxy)相对易于使用且使用频率较高。

使用环氧树脂进行芯片键合时,可将极少量环氧树脂精确地点在基板上。将芯片放置在基板上之后,通过回流(Reflow)或固化(Curing),在150°C至250°C的温度条件下使环氧树脂硬化,以将芯片和基板粘合在一起。此时,若所使用环氧树脂的厚度不恒定,则会因膨胀系数差异而导致翘曲(Warpage),从而引起弯曲或变形。因此,尽管使用少量环氧树脂较为有利,但只要使用环氧树脂就会发生不同形式的翘曲。

正因为如此,一种使用晶片黏结薄膜(Die Attach Film, DAF)的先进键合方法成为近年来的首选方法。尽管DAF具有价格昂贵且难以处理的缺点,但却易于掌握使用量,简化了工艺,因此使用率正在逐渐增加。

6. 使用晶片黏结薄膜(DAF)的芯片键合工艺

图6. 使用晶片黏结薄膜(DAF)的芯片键合工艺

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DAF是一种附着在晶粒底部的薄膜。▶请参考<切割,将晶圆分割成多个半导体芯片>。相比高分子材料,采用DAF可将厚度调整至非常小且恒定的程度。DAF不仅应用于芯片和基板之间的键合,还广泛应用于芯片与芯片之间的键合,从而形成多晶片封装(MCP)。换句话说,紧密粘合在芯片上的DAF等待切割工艺完成,然后在芯片键合过程中发挥自身的作用。

从切割芯片的结构来看,位于芯片底部的DAF支撑着芯片,而切割胶带则以弱粘合力牵拉着位于其下方的DAF。在这种结构中,要进行芯片键合,就需要在移除切割胶带上的芯片和DAF之后立即将晶粒放置在基板上,并且不得使用环氧树脂。由于在此过程中可跳过点胶工序,因此环氧树脂的利弊被忽略,取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF时,部分空气会穿透薄膜,引起薄膜变形等问题。因此,对处理DAF的设备的精度要求格外高。尽管如此,DAF仍然是首选方法,因为它能够简化工艺并提高厚度均匀性,从而降低缺陷率并提高生产率。

用于放置芯片的基板类型(引线框架或印刷电路板)不同,执行芯片键合的方向也存在很大差异。很久以前,基于PCB的基板已经因其可应用于小尺寸批量生产封装而得到广泛使用。相应地,随着键合技术的日益多样化,用于烘干粘合剂的温度曲线(Temperature Profile)也在不断变化。其中一些具有代表性的键合方法包括加热粘接和超声波粘接。随着集成技术的不断提高,封装工艺继续朝着超薄方向发展,封装技术也变得多样化。在下一期中,我们将介绍另一种封装技术——引线键合。


陈锺文半导体专栏作家

韩国忠北半导体高等学校老师

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