【博主簡(jiǎn)介】本人系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問(wèn)出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵，如有需要可看文尾聯(lián)系方式，當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以“愛(ài)在七夕時(shí)”的昵稱(chēng)為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

作為半導(dǎo)體芯片制造的后道工序，芯片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，我將要跟大家分享的就是：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。

當(dāng)然，在想要了解芯片鍵合(die bonding)工藝前，我們首先要了解的應(yīng)該是關(guān)于“鍵合(Bonding)”這個(gè)工藝方面的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

一、鍵合(Bonding)工藝技術(shù)的介紹

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(lèi)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)，芯片鍵合(Die Bonding)，是將芯片固定到基板（substrate）上的一道工藝。引線鍵合（wire bonding）則作為芯片鍵合的下道工序，是確保電信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)過(guò)程。

而先進(jìn)方法則采用IBM公司在1960年研制開(kāi)發(fā)出在芯片上制作凸點(diǎn)的倒裝芯片焊接工藝。以95Pb5Sn凸點(diǎn)包圍著電鍍NiAu的凸球。后來(lái)制作PbSn凸點(diǎn)，使用可控塌焊連接(Controlled collapse Component Connection, 簡(jiǎn)稱(chēng)C4技術(shù))，該技術(shù)最初為自己的大型計(jì)算機(jī)主機(jī)所開(kāi)發(fā)的一種高可靠的封裝技術(shù)。C4芯片具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)性能，封裝疲勞壽命至少提高10倍以上，倒裝芯片鍵合技術(shù)將芯片鍵合與引線鍵合相結(jié)合，通過(guò)芯片上的凸點(diǎn)直接將元器件朝下互連到基板、載體或者電路板上。

倒裝（Flip Chip）芯片元件主要用于半導(dǎo)體設(shè)備，有些元件，如無(wú)源濾波器，探測(cè)天線，存儲(chǔ)器裝備也開(kāi)始使用倒裝芯片技術(shù)，由于芯片直接通過(guò)凸點(diǎn)直接連接基板和載體上。因此，更確切的說(shuō)，倒裝芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下圖中CPU及內(nèi)存條等電子產(chǎn)品是最常見(jiàn)的應(yīng)用倒裝芯片技術(shù)的器件。

下圖是內(nèi)存條中存儲(chǔ)芯片通過(guò)倒裝技術(shù)與線路板連接，芯片與電路板中間通過(guò)填充膠固定。

在典型的倒裝芯片封裝中, 芯片通過(guò)3到5個(gè)密耳(1mil=25um)厚的焊料凸點(diǎn)連接到芯片載體上，底部填充材料用來(lái)保護(hù)焊料凸點(diǎn)。

下圖是一張典型的倒裝連接圖，芯片與下方的基板采用倒裝方式連接：

二、芯片鍵合（Die Bound）的介紹

在半導(dǎo)體工藝中，“鍵合”是指將晶圓芯片連接到基板上。連接可分為兩種類(lèi)型，即傳統(tǒng)方法和先進(jìn)方法。傳統(tǒng)的方法包括晶片連接(或晶片連接)和電線連接，而先進(jìn)的方法包括IBM在60年代末開(kāi)發(fā)的倒裝芯片連接。倒裝芯片鍵合是一種結(jié)合了模具鍵合和導(dǎo)線鍵合的方法，是通過(guò)在芯片襯墊上形成凸起來(lái)連接芯片和襯底的方法。

就像發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在汽車(chē)上以提供動(dòng)力一樣，通過(guò)將半導(dǎo)體芯片連接在引線框架或印刷電路板(PCB)上，將芯片線路與外部連接起來(lái)。芯片連接后，應(yīng)能承受封裝后產(chǎn)生的物理壓力，并能散發(fā)芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。必要時(shí)，它必須保持恒定的導(dǎo)電或?qū)崿F(xiàn)高水平的絕緣。因此，隨著芯片變得越來(lái)越小，鍵合方法變得越來(lái)越重要。

三、芯片鍵合（Die Bound）的流程

傳統(tǒng)的芯片鍵合方法，首先要做的是在封裝基板上涂布粘合劑，然后，在上面放一個(gè)芯片，芯片有引腳一面朝上。

作為先進(jìn)封裝的倒裝芯片鍵合工藝下，芯片的引腳一面向下，引腳上的焊料球的小凸起附著在芯片的襯墊上。

在這兩種方法中，組裝后單元通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為溫度回流的隧道，該隧道可以隨著時(shí)間的推移調(diào)節(jié)溫度以熔化粘合劑或焊料球。然后，將其冷卻以將芯片(或凸起)固定在基板上。

四、芯片鍵合（Die Bound）裝備的構(gòu)成

1、晶圓工作臺(tái)

作為芯片鍵合裝備的基礎(chǔ)平臺(tái)，晶圓工作臺(tái)負(fù)責(zé)承載并精確移動(dòng)晶圓，確保在鍵合過(guò)程中芯片能夠被準(zhǔn)確地定位到預(yù)定位置。其穩(wěn)定性與精度直接影響到鍵合質(zhì)量。

2、芯片鍵合頭

這是實(shí)現(xiàn)芯片與基板物理連接的關(guān)鍵部件，通過(guò)熱壓、超聲波、激光等多種方式完成芯片的放置和焊接。鍵合頭的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到鍵合強(qiáng)度和可靠性。

3、框架傳輸系統(tǒng)

負(fù)責(zé)芯片載體（如框架、基板）的自動(dòng)傳輸與定位，確保高效率且無(wú)損地進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，是提高生產(chǎn)效率和良率的重要組成部分。

4、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

利用高精度相機(jī)和圖像處理算法，對(duì)芯片、基板等進(jìn)行定位識(shí)別和質(zhì)量檢測(cè)，確保鍵合精度和產(chǎn)品質(zhì)量。在自動(dòng)化程度極高的半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是不可或缺的“眼睛”。

5、點(diǎn)膠系統(tǒng)

在某些封裝工藝中，需要預(yù)先在基板上施加適量的黏合劑或?qū)щ娔z，點(diǎn)膠系統(tǒng)的精確控制對(duì)于保證鍵合效果至關(guān)重要。

五、芯片取放工藝Pick&Place

單獨(dú)地取出附著在膠帶上的芯片被稱(chēng)為“Pick”。當(dāng)吸嘴從晶圓片中取出芯片，再將它們放置在封裝基板表面稱(chēng)為“Place”。這兩項(xiàng)動(dòng)作被稱(chēng)為“拾取和放置”"Piack&Place工藝。這個(gè)過(guò)程，也可以通過(guò)輸入晶圓測(cè)試結(jié)果(Go / No Go)來(lái)對(duì)好的芯片進(jìn)行分選。

六、芯片彈壓

每一個(gè)完成切片過(guò)程的芯片，由弱粘性附著在膠帶上。這時(shí)，要把水平放置在切丁膠帶上的芯片一個(gè)接一個(gè)地?fù)炱饋?lái)就不那么容易了。這是因?yàn)榧词褂谜婵瘴鼔m器拉起它也不容易脫落，如果強(qiáng)行拔出，它會(huì)對(duì)芯片造成物理?yè)p傷。

因此，“彈射”“Ejection"成為一種容易拾取芯片的方法。使用彈射器對(duì)目標(biāo)芯片施加物理力，使其與其他芯片產(chǎn)生輕微的步長(zhǎng)差異。將芯片從底部彈出，用真空帶柱塞從上面拉起芯片。同時(shí)，用真空拉膠帶的底部，使薄片平整。

七、Die Bonding工藝基礎(chǔ)培訓(xùn)

以下就是本章節(jié)我要跟大家分享的主要內(nèi)容，如有不對(duì)或是遺漏的地方，還希望大家批評(píng)指正：

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八、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)實(shí)現(xiàn)粘合的芯片鍵合工藝

環(huán)氧樹(shù)脂密封保護(hù)加固作用的前提是膠水已經(jīng)固化，而焊點(diǎn)周?chē)绣a膏中的助焊劑殘留，如果底部填充膠與殘留的助焊劑不兼容，導(dǎo)致底部填充膠無(wú)法有效固化，那么底部填充膠也就起不到相應(yīng)的作用了，因此，底部填充膠與錫膏是否兼容，是底部填充膠選擇與評(píng)估時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目。

底部填充膠除起加固作用外，還有防止?jié)駳?、離子遷移的作用，因此絕緣電阻也是底部填充膠需考慮的一個(gè)性能。底部填充膠主要的作用就是解決BGA/CSP芯片與PCB之間的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力集中的問(wèn)題，因此對(duì)底部填充膠而言，很重要的可靠性試驗(yàn)是溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)和跌落可靠性實(shí)驗(yàn)。

使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行芯片鍵合時(shí)，可將極少量環(huán)氧樹(shù)脂精確地點(diǎn)在基板上。將芯片放置在基板上之后，通過(guò)回流(Reflow)或固化(Curing)，在150°C至250°C的溫度條件下使環(huán)氧樹(shù)脂硬化，以將芯片和基板粘合在一起。此時(shí)，若所使用環(huán)氧樹(shù)脂的厚度不均勻，則會(huì)因膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致翹曲(Warpage)，從而引起彎曲或變形。

正因?yàn)槿绱?，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(lái)的首選方法。盡管DAF具有價(jià)格昂貴且難以處理的缺點(diǎn)，但卻易于掌握使用量，簡(jiǎn)化了工藝，因此使用率正在逐漸增加。

九、芯片粘合工藝

當(dāng)使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行模具粘合時(shí)，通過(guò)點(diǎn)膠將非常少量的環(huán)氧樹(shù)脂精確地涂在基材上。在其上放置芯片后，環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)回流或固化在150至250°C下硬化，以便將芯片和基材粘合在一起。

如果所涂環(huán)氧樹(shù)脂的厚度不恒定，則可能由于熱膨脹系數(shù)的差異而發(fā)生引起彎曲或變形的翹曲。由于這個(gè)原因，膠量的控制非常重要。但只要使用環(huán)氧樹(shù)脂，任何形式的翹曲都會(huì)發(fā)生。

這就是為什么最近使用模貼膜(DAF)的更先進(jìn)的粘合方法是首選的原因。雖然DAF有一些昂貴和難以處理的缺點(diǎn)，但它的厚度可以很好的控制，并且簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，因此它的使用量逐漸增加。

十、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。相比液態(tài)黏著劑，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(shuō)，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(guò)程中發(fā)揮自身的作用。

從切割芯片的結(jié)構(gòu)來(lái)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(shù)脂。由于在此過(guò)程中可跳過(guò)點(diǎn)膠工序，因此環(huán)氧樹(shù)脂的利弊被忽略，取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF時(shí)，部分空氣會(huì)穿透薄膜，形成空洞從而引起薄膜變形等問(wèn)題。因此，對(duì)處理DAF的設(shè)備的精度要求格外高。屹立芯創(chuàng)憑借過(guò)硬的技術(shù)水準(zhǔn)，以核心技術(shù)為品質(zhì)支撐，運(yùn)用核心專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)一步保證制程穩(wěn)定運(yùn)行。真空壓力除泡系統(tǒng)VPS使用多重多段真空壓力切換系統(tǒng)，可根據(jù)材料特性分段設(shè)定壓力與真空數(shù)值，配備了雙增壓系統(tǒng)和雙溫控保護(hù)系統(tǒng)，保證封裝精度及良率。精準(zhǔn)去除氣泡問(wèn)題的同時(shí)，亦可幫助客戶(hù)大幅提升UPH、降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)與成本、提高產(chǎn)品良率與可靠性。使用DAF膜能夠簡(jiǎn)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(lèi)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。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)朝著薄型化方向發(fā)展，封裝技術(shù)也變得多樣化。

十一、模貼膜(DAF)粘接

DAF（Die Attach Film)是一種附著在模具底部的薄膜。使用DAF，厚度可以調(diào)整到比使用聚合物材料時(shí)更薄和恒定。它不僅廣泛用于芯片與襯底的鍵合，還廣泛用于芯片與芯片的鍵合，以創(chuàng)建多芯片封裝(MCP)。

從切片芯片的結(jié)構(gòu)來(lái)看，位于芯片底部的DAF是托住芯片的，而切片膠帶則是牽拉其下方的DAF，附著力較弱。為了在這種結(jié)構(gòu)中進(jìn)行模具粘合，在一次將芯片和DAF從切丁帶上取下后，應(yīng)將模具放置在基板上，而不使用環(huán)氧樹(shù)脂。這個(gè)過(guò)程跳過(guò)點(diǎn)膠程序，不僅速度更快，而且完美避開(kāi)了點(diǎn)膠厚度不均引起的問(wèn)題。

使用DAF時(shí)，一些空氣可以穿透薄膜，引起薄膜變形等問(wèn)題。特別是，處理DAF的設(shè)備需要高精度。然而，使用daf是首選的方法，因?yàn)樗梢詼p少缺缺率，提高生產(chǎn)率，因?yàn)樗?jiǎn)化了過(guò)程，增加了厚度的均勻性。

根據(jù)基板類(lèi)型(引線框架或PCB)，進(jìn)行模鍵合的方法變化很大。長(zhǎng)期以來(lái)，基于pcb的基板被頻繁使用，因?yàn)樗梢耘可a(chǎn)小尺寸的封裝。隨鍵合技術(shù)的多樣化，烘烤膠粘劑的溫度分布也在不斷發(fā)展。有代表性的粘接方法有熱壓縮或超聲波粘接。隨著封裝不斷向超薄類(lèi)型發(fā)展，集成程度不斷提高，封裝技術(shù)也在多樣化。

十二、寫(xiě)在最后面的話

隨著倒裝芯片級(jí)封裝（FCBGA）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、芯片級(jí)封裝（CSP）、球狀引腳柵格陣列封裝（BGA）等先進(jìn)封裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，芯片鍵合裝備正面臨著更高的技術(shù)挑戰(zhàn)和市場(chǎng)需求。這些封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更小的封裝尺寸、更高的I/O密度、更好的散熱性能和更低的信號(hào)延遲，是推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)向高性能計(jì)算、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

芯片鍵合裝備及其相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，是推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向更高端、更精密方向發(fā)展的關(guān)鍵。面對(duì)未來(lái)智能化、低功耗、高集成度的市場(chǎng)需求，研發(fā)更高效率、更低成本、更環(huán)保的鍵合裝備和技術(shù)，將成為行業(yè)內(nèi)的共同目標(biāo)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合應(yīng)用，未來(lái)的芯片鍵合裝備將更加智能化，進(jìn)一步提升半導(dǎo)體制造的整體水平和競(jìng)爭(zhēng)力。

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參考文獻(xiàn)：

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3、https://wx.zsxq.com/group/48888542154528 愛(ài)在七夕時(shí)-知識(shí)星球

4、https://www.weibo.com/u/3185658311 @愛(ài)在七夕時(shí) 的個(gè)人主頁(yè) - 微博


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