半導體封裝工藝流程概述

半導體芯片封裝是指利用膜技術及細微加工技術，將芯片及其他要素在框架或基板上布局粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質灌封固定，構成整體立體結構的工藝。這一工藝是連接芯片與外部世界的橋梁，在整個半導體制造過程中扮演著至關重要的角色，不僅保護著脆弱的芯片免受外界環境的侵害，還確保芯片能夠正常工作并與外部電路有效連接。

從整體流程來看，半導體封裝可以大致分為前段（Front End）和后段（Back End）。前段主要是晶圓制造（Wafer Fabr ication）相關的工序，而后段則包括晶圓測試（wafer Probe/Sorting）、芯片組裝（Assemble）、測試（Test）以及制成成品（Finish Goods）等一系列工序。在這些主要工序之下，又包含了眾多具體的操作流程。例如，在晶圓制造過程中，涉及到光刻、蝕刻、摻雜等復雜工藝，這些工藝精確地在晶圓上構建出各種電路元件，如晶體管、電容、電阻等，為芯片的功能實現奠定基礎。晶圓測試階段則是對晶圓上的芯片進行初步檢測，篩選出有缺陷的芯片，提高成品率。芯片組裝環節是將合格的芯片安裝到封裝基板上，并通過引線鍵合或倒裝芯片等技術實現芯片與基板的電氣連接。測試工序包括初始測試（Initial Test）和最終測試（Final Test），對封裝后的芯片進行全面的性能檢測，確保產品符合質量標準，最后成為可以銷售的成品芯片。

半導體封裝工藝的關鍵步驟

晶圓制造（Wafer Fabr ication）

晶圓制造是半導體封裝的前端重要工序，是在硅晶圓上構建集成電路的過程。這個過程非常復雜，包含多個關鍵步驟。首先是光刻工藝，光刻就像是在晶圓上進行“印刷”，通過使用光刻膠和掩模版，將設計好的電路圖案精確地轉移到晶圓表面，光刻的精度對于芯片的性能和集成度有著至關重要的影響，例如在先進的制程中，光刻技術能夠實現納米級別的電路圖案制作。

其次是蝕刻工藝，蝕刻是將光刻后暴露的不需要的材料去除，形成精確的電路結構。有濕法蝕刻和干法蝕刻兩種方式，濕法蝕刻利用化學溶液進行腐蝕，而干法蝕刻則是利用等離子體與材料發生反應來去除不需要的部分。摻雜工藝也是不可或缺的，通過將特定的雜質原子引入到晶圓的特定區域，改變硅的電學性質，從而形成P型或N型半導體區域，構建出晶體管等有源器件。

晶圓測試（wafer Probe/Sorting）

晶圓測試是對制造好的晶圓進行初步檢測的環節。在這個過程中，使用專門的測試設備對晶圓上的每個芯片進行電氣性能測試，例如測試芯片的電路是否連通、各項電學參數是否符合設計要求等。測試探針會與晶圓上芯片的電極接觸，施加相應的電信號并檢測芯片的響應。通過這個測試，可以篩選出有缺陷的芯片，避免將不良芯片進行后續的封裝工序，從而提高整個封裝流程的效率和產品的最終良率。

芯片組裝（Assemble）

芯片組裝環節將經過測試的合格芯片安裝到封裝基板上。其中一種常見的方式是引線鍵合（Wire Bonding），通過極細的金屬絲（如金線）將芯片的電極和封裝基板上的引腳連接起來，實現電氣連接。這個過程需要高精度的設備來控制金屬絲的鍵合位置和強度，確保連接的可靠性。另一種方式是倒裝芯片（Flip - Chip）技術，芯片正面朝下直接與封裝基板上的焊盤相連接，這種方式可以實現更短的電氣連接路徑，提高信號傳輸速度和降低信號延遲，同時也能增加芯片的集成度，但對芯片和基板的表面平整度以及焊接技術要求更高。

封裝（Packaging）

封裝步驟是為芯片提供物理保護和電氣連接接口。在這個過程中，會使用到各種封裝材料，如塑料、陶瓷或金屬等，將芯片和連接部分包裹起來。例如，采用塑料封裝時，會通過注塑成型的方法將芯片和基板包裹在塑料外殼中，保護芯片免受外界的機械沖擊、濕氣、灰塵等影響。同時，封裝過程中還會形成接線端子，方便芯片與外部電路板進行連接。

測試（Test）

測試包括初始測試（Initial Test）和最終測試（Final Test）。初始測試在封裝后不久進行，主要是對封裝過程中可能引入的缺陷進行檢測，如檢查封裝是否損壞、電氣連接是否良好等。最終測試則是對芯片進行全面的性能測試，包括功能測試、性能指標測試（如速度、功耗等）以及可靠性測試等。可靠性測試可能會模擬芯片在不同工作環境下的運行情況，如高溫、低溫、高濕度等環境，確保芯片在實際使用中能夠穩定可靠地工作。

后固化（Post Mold Cure）、修剪（Trim）、成型（Form）和電鍍（Plating）

后固化是針對一些使用了樹脂等材料進行封裝的芯片，在封裝后進行加熱處理，使封裝材料完全固化，提高封裝的穩定性和可靠性。修剪工序是將封裝后的芯片多余的部分（如引線框架的多余引腳等）去除，使芯片達到合適的外形尺寸。成型工序則是對芯片進行最后的外形塑造，使其符合特定的封裝形式要求。電鍍是在芯片的引腳或其他需要的部位鍍上一層金屬（如金、錫等），提高引腳的導電性、可焊性和抗氧化性。

老化（Burn - In）

老化是將芯片在特定的環境條件下（如高溫、高電壓等）進行長時間的通電運行，加速芯片的老化過程。通過這個過程，可以提前篩選出那些在早期使用中可能出現故障的芯片，進一步提高產品的可靠性，確保交付到用戶手中的芯片具有較高的質量和穩定性。

常見半導體封裝技術分析

雙列直插封裝（DIP，Dual In - line Package）

雙列直插封裝是一種傳統的封裝技術。它的特點是具有兩排引腳，芯片被封裝在一個塑料或陶瓷的外殼中，引腳從外殼兩側引出。這種封裝形式在早期的電子設備中廣泛應用，例如在一些簡單的微控制器、邏輯電路芯片等。DIP封裝的優點是安裝方便，通過將引腳插入印刷電路板（PCB）的對應孔中，然后進行焊接即可。同時，它的引腳間距相對較大，便于手工焊接和電路板的維修。然而，隨著電子設備向小型化、高性能化發展，DIP封裝的缺點也逐漸顯現，例如它的封裝體積較大，占用較多的電路板空間，并且引腳數量有限，難以滿足復雜芯片的電氣連接需求。

小外形封裝（SOP，Small Outline Package）

小外形封裝是一種表面貼裝型（Surface - Mount）封裝技術。與DIP封裝相比，SOP封裝的體積明顯減小，它的引腳排列在封裝的兩側，采用表面貼裝技術直接焊接在PCB表面。這種封裝形式適用于對空間要求較高的電子設備，如手機、平板電腦等便攜式設備中的一些小型芯片。SOP封裝具有較好的電氣性能，由于引腳較短，信號傳輸路徑短，能夠減少信號延遲和串擾。同時，它的生產效率較高，適合大規模自動化生產。

方形扁平封裝（QFP，Quad Flat Package）

方形扁平封裝的引腳分布在封裝的四個側面，引腳數量較多，可以滿足復雜芯片對更多電氣連接的需求。QFP封裝的芯片在電路板上的安裝密度較高，能夠在較小的電路板面積上集成更多的功能。但是，QFP封裝的引腳非常纖細且間距很小，這對焊接工藝提出了很高的要求，在生產過程中容易出現引腳短路、虛焊等問題。為了提高焊接的可靠性，在焊接QFP封裝芯片時，通常需要采用高精度的貼片機和回流焊設備。

球柵陣列封裝（BGA，Ball Grid Array）

球柵陣列封裝是一種先進的封裝技術。它的引腳以球形焊點的形式分布在封裝的底部，與PCB通過這些球形焊點進行電氣連接。BGA封裝的優點眾多，首先它的引腳數量可以非常多，能夠滿足高性能芯片的大量電氣連接需求。其次，由于引腳是球形焊點，分布在封裝底部，使得封裝的體積可以做得更小，提高了芯片在電路板上的集成度。此外，BGA封裝的信號傳輸性能較好，引腳電感小，能夠實現高速信號的傳輸。然而，BGA封裝也存在一些缺點，例如它的封裝成本相對較高，對PCB的設計和制造要求較高，而且一旦焊接出現問題，維修難度較大。

芯片尺寸封裝（CSP，Chip Scale Package）

芯片尺寸封裝是一種接近芯片原始尺寸的封裝技術。CSP封裝盡可能地減小了封裝體積，使得封裝后的芯片尺寸與芯片本身的尺寸非常接近，從而在電路板上占用極小的空間。這種封裝技術具有良好的電氣性能，信號傳輸路徑短，能夠滿足高速、高性能芯片的封裝需求。同時，CSP封裝還具有較好的散熱性能，因為它的封裝結構相對簡單，熱量更容易散發出去。CSP封裝適用于對空間和性能要求都非常高的應用場景，如一些高端的移動設備、可穿戴設備等。

系統級封裝（SiP，System in Package）

系統級封裝是將多個不同功能的芯片（如處理器、存儲器、傳感器等）以及其他無源元件（如電容、電阻等）集成在一個封裝內，形成一個完整的系統。SiP封裝可以大大縮小整個系統的體積，提高系統的集成度和可靠性。通過將不同功能的芯片集成在一起，可以減少芯片之間的信號傳輸延遲，提高系統的性能。此外，SiP封裝還可以根據不同的應用需求靈活組合不同的芯片和元件，具有很強的定制性。這種封裝技術在現代智能手機、物聯網設備等領域得到了廣泛的應用。

半導體封裝工藝流程實例：以晶圓級封裝（WLCSP）為例

扇入型晶圓級芯片封裝（Fan - In WLCSP）

1. 晶圓準備

• 首先，需要對晶圓進行清洗和預處理，去除晶圓表面的雜質和污染物，確保晶圓表面的平整度和清潔度。這一步驟對于后續的工藝步驟至關重要，因為任何微小的雜質都可能影響到芯片的性能和封裝的質量。

• 對晶圓進行光刻，確定芯片的有源區和連接區域。光刻工藝使用光刻膠和掩模版，通過曝光和顯影等步驟，將設計好的圖案轉移到晶圓表面。在扇入型晶圓級芯片封裝中，光刻的精度決定了芯片的尺寸和性能，例如精確控制芯片的有源區大小可以影響晶體管的性能，進而影響整個芯片的功能。

2. 重布線層（RDL）制作

• 在光刻確定的區域內制作重布線層。重布線層的作用是重新規劃芯片的電氣連接，將芯片內部的電路連接到外部的引腳或焊盤上。這一過程通常采用金屬沉積（如濺射）和光刻、蝕刻等工藝相結合的方式。首先通過濺射工藝在晶圓表面沉積一層金屬（如銅），然后再通過光刻和蝕刻工藝形成所需的布線圖案。重布線層可以有效地解決芯片內部電路與外部封裝引腳之間的連接問題，提高芯片的集成度和可封裝性。

3. 形成金屬凸點（Bump）

• 在重布線層的末端形成金屬凸點，這些金屬凸點將作為芯片與外部電路連接的接口。金屬凸點的制作方法有多種，常見的是電鍍工藝。通過電鍍在預定的位置生長出金屬凸點（如錫鉛凸點或無鉛凸點），金屬凸點的大小、形狀和間距都需要精確控制，以確保良好的電氣連接和機械可靠性。在扇入型晶圓級芯片封裝中，金屬凸點的布局需要根據芯片的設計和封裝要求進行優化，例如要考慮到信號傳輸的完整性和散熱等因素。

4. 晶圓切割

• 完成上述工藝步驟后，對晶圓進行切割，將晶圓上的芯片分離成單個的芯片。晶圓切割需要使用高精度的切割設備，如鉆石切割刀，以確保切割的精度和芯片的完整性。切割過程中要避免對芯片造成機械損傷，因為任何微小的損傷都可能導致芯片失效。

5. 最終測試

• 對切割后的單個芯片進行最終測試，包括電氣性能測試、功能測試和可靠性測試等。電氣性能測試主要檢測芯片的各項電學參數，如電壓、電流、電阻等是否符合設計要求；功能測試則是對芯片的各種功能進行驗證，確保芯片能夠正常工作；可靠性測試可能會模擬芯片在不同環境條件下（如高溫、低溫、高濕度等）的運行情況，以評估芯片的穩定性和耐用性。只有通過所有測試的芯片才能夠作為合格產品進入市場。

扇出型晶圓級芯片封裝（Fan - Out WLCSP）

1. 晶圓準備與芯片貼裝

• 同樣先對晶圓進行清洗和預處理，保證晶圓表面的質量。然后將經過測試的芯片放置在臨時的載板上，芯片之間保持一定的間距。這個載板的作用是在后續的工藝過程中為芯片提供支撐。

• 在芯片周圍填充絕緣材料，如環氧樹脂等，形成一個整體的結構。填充材料的目的是保護芯片，并為后續的重布線層制作提供一個平整的表面。填充過程需要確保材料均勻分布，避免出現空洞或氣泡等缺陷，因為這些缺陷可能會影響到芯片的散熱和電氣性能。

2. 重布線層（RDL）制作

• 與扇入型類似，在填充后的結構上制作重布線層。通過金屬沉積、光刻和蝕刻等工藝，在芯片和填充材料的表面構建重布線層，將芯片的電路連接到外部的引腳或焊盤上。在扇出型晶圓級芯片封裝中，由于芯片之間有填充材料，重布線層可以在更大的區域內進行布局，從而可以實現更多的引腳引出，提高芯片的封裝密度和功能擴展性。

3. 形成金屬凸點（Bump）

• 使用電鍍或其他合適的工藝在重布線層的末端形成金屬凸點。金屬凸點的要求與扇入型類似，需要精確控制其大小、形狀和間距。在扇出型晶圓級芯片封裝中，金屬凸點的布局可以更加靈活，根據封裝的具體需求進行優化，例如可以根據不同芯片的功能需求分配不同的引腳連接。

4. 去載板與晶圓切割

• 將臨時載板去除，然后對整個結構進行晶圓切割，將每個封裝好的芯片分離出來。這個過程同樣需要高精度的切割設備，并且要注意避免對芯片造成損傷。

5. 最終測試

• 對切割后的芯片進行全面的測試，包括電氣性能測試、功能測試和可靠性測試等，只有合格的芯片才能進入市場。

半導體封裝工藝的發展趨勢

小型化

隨著電子設備不斷向小型化、便攜化發展，如智能手機、可穿戴設備等，對芯片封裝的小型化要求越來越高。傳統的封裝形式由于體積較大，難以滿足這些設備對空間的嚴格要求。因此，封裝技術朝著更小的封裝尺寸發展，例如芯片尺寸封裝（CSP）和系統級封裝（SiP）等技術的發展就是為了實現更小的封裝體積。CSP封裝盡可能地減小了封裝體積，使其接近芯片本身的尺寸，而SiP封裝則通過將多個芯片和元件集成在一個封裝內，大大縮小了整個系統的體積。這種小型化的趨勢不僅可以節省電路板空間，還能夠降低整個電子設備的體積和重量。

高集成度

現代電子設備功能日益復雜，需要在有限的空間內集成更多的功能。半導體封裝技術通過提高集成度來滿足這一需求。一方面，增加單個芯片的功能密度，例如在芯片內部集成更多的晶體管、電路模塊等；另一方面，通過系統級封裝（SiP）等技術將多個不同功能的芯片集成在一起，形成一個完整的系統。例如，在智能手機中，將處理器、存儲器、傳感器、射頻芯片等多個功能芯片集成在一個封裝內，實現了高度的功能集成。高集成度的封裝技術可以減少芯片之間的信號傳輸延遲，提高系統的性能，同時也有助于降低整個系統的成本。

高性能

高性能是半導體封裝工藝發展的另一個重要趨勢。這包括提高芯片的電氣性能、散熱性能等方面。在電氣性能方面，例如降低信號傳輸延遲、提高信號完整性等。通過采用先進的封裝技術，如倒裝芯片（Flip - Chip）技術和球柵陣列封裝（BGA）技術，可以實現更短的電氣連接路徑，從而減少信號傳輸過程中的延遲和損耗。在散熱性能方面，隨著芯片的集成度和性能的提高，芯片產生的熱量也越來越多，如果不能及時散熱，將會影響芯片的性能和可靠性。因此，新型的封裝技術注重改善散熱性能，例如采用散熱性能更好的封裝材料、優化封裝結構以增加散熱路徑等。

三維封裝（3D封裝）

三維封裝是一種新興的封裝技術趨勢，它是將多個芯片在垂直方向上堆疊起來，形成三維的結構。這種封裝方式可以大大提高芯片的集成度，在相同的平面面積上實現更多的功能。例如，通過3D封裝，可以將處理器芯片和存儲器芯片垂直堆疊，實現高速的數據傳輸，減少數據傳輸的延遲。3D封裝技術涉及到硅通孔（TSV，Through - Silicon Vias）技術等關鍵技術，硅通孔技術可以在芯片之間實現垂直方向的電氣連接，為3D封裝提供了重要的技術支撐。

異構集成

異構集成是指將不同類型、不同制程、不同功能的芯片集成在一起的技術。這種集成方式可以充分發揮各種芯片的優勢，實現更復雜的功能。例如，將采用不同制程制造的高性能處理器芯片和低功耗傳感器芯片集成在一起，滿足特定應用場景對性能和功耗的綜合要求。異構集成可以通過系統級封裝（SiP）等技術來實現，它是未來半導體封裝技術發展的一個重要方向。

先進半導體封裝工藝流程介紹

倒裝芯片封裝（Flip - Chip Packaging）

1. 芯片準備

• 首先對芯片進行處理，在芯片的正面（有源區）

芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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