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芯片封裝的技術發展第一階段、第二階段簡介

封裝又區分為傳統封裝、晶圓級封裝,其中傳統封裝包括引線框架(Leadframe)、基板封裝(Substrate),晶圓級封裝包括晶圓級芯片封裝(WLCSP)、重布線(RDL)、倒片(Flip Chip)、硅通孔(TSV)。

階段一:裸片貼裝

裸片貼裝前,需要將前道工藝加工的晶圓切割成獨立的Die,再與外部進行連接、通電,因此,需要將金屬引線和芯片焊盤連接起來。其中,連接電路的方式被稱為Wire Bonding。從結構上看,需要將金屬引線在芯片的焊盤上進行一次鍵合,同時在載體焊盤上進行二次鍵合,以實現從外部提供偏壓和輸入,建立電路連接。早期,載體多為引線框架,現階段多為PCB。

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但引線鍵合存在如下缺點:
  1. 金屬引線比凸點長,且線徑小,因此傳輸電信號速率慢;
  2. 金屬引線高阻抗,容易導致信號失真;
  3. 焊頸結合強度弱,對于保護性的要求更高。

階段二:倒片封裝
由于引線鍵合的缺陷,衍生出了FC,即直接將芯片正面扣在基板上,中間用小金屬球連接,從而縮短互聯距離、提升連接密度,實現更小的阻抗、更好的電性能、更佳的散熱性、更緊湊的封裝、更強的抗沖擊性。
FC降低了封裝難度、簡化封裝過程、縮小封裝體積,給移動設備及工業應用領域帶來了重要突破。FC也是目前最主流的先進封裝工藝,約占先進封裝市場的77%。

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FC根據鍵合方式的差異,還可區分為球限位陣列(Ball Grid Array)和探針封裝(Cavity Down)。其中BGA在芯片的底部布有一定數量的焊球,以網格狀或陣列狀排在芯片底部,與基板上對應焊盤進行電連接;CD在芯片的底部有柱狀金屬凸點(稱為探針),這些探針通常以陣列狀或線性排列在芯片的底部,與基板上相應的焊盤或插座接觸,實現電連接。由于BGA的引腳更短、數量更多、延遲更低、干擾更小、速率更高,在DDR2之后基本以BGA為主流方案。


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FC利用Bump代替引線,根據Bump材料的不同,可區分為金凸塊、銅柱凸塊、銅鎳金凸塊、錫凸塊,隨著技術迭代,Bump尺寸越來越小,發展出了不需要Bump的混合鍵合(Hybrid Bonding),可提供相較于Bump多1000倍的I/O連接,并實現信號延遲驅動至接近零的水平,這意味著更高的內存密度、更高的傳輸速率。

混合鍵合是指在兩個芯片表面形成“電介質-電介質和金屬-金屬”的連接,其關鍵工藝步驟包括預鍵合層的準備和創建、鍵合工藝本身、鍵合后退火以及每個步驟的相關檢查和計量,以確保成功鍵合。有兩種方法可以實現混合鍵合:晶圓到晶圓 (W2W) 和芯片到晶圓 (D2W) 。而D2W亦成為了異構集成的重要選擇,因為其支持不同尺寸/類型的芯片進行堆疊。

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混合鍵合在面對優異性能的同時亦需要面對極其嚴苛的條件。由于涉及先進的工藝要求及復雜性,混合鍵合涉及了大量半導體前道工藝,包括利用電介質沉積、圖案化、蝕刻、銅沉積和銅 CMP等,以在晶圓上創建最終層與芯片的連接。并且需要克服以下要求,才能實現量產:
  1.  薄膜厚度和均勻性:必須仔細控制芯片內、整個晶圓以及晶圓與晶圓之間形成最終預粘合層的電介質膜厚度;
  2. 覆蓋對準:為了成功地以非常小的間距(目前約為1-10μm)粘合表面,需要嚴格控制接合焊盤對準,以確保要接合的銅焊盤完美對齊,從而推動對覆蓋計量精度的需求不斷增加和芯片焊接控制。
  3. 缺陷率:混合鍵合中的直接電介質對電介質鍵合和銅對銅鍵合需要更清潔的表面,不含顆粒和殘留物,以最大限度地減少界面處的空洞。與傳統的焊料Bump接口相比,這推動了等離子切割等優化工藝的采用,以及顯著更高的檢測靈敏度和嚴格的缺陷減少工作。
  4. 輪廓和粗糙度:成功的鍵合需要將表面輪廓和粗糙度控制在納米級,需要更精確的計量技術來幫助開發和控制 HVM 環境中預鍵合表面的制備。在鍵合之前,銅焊盤必須具有特定的碟形輪廓。
  5. 形狀和弓形:W2W 和 D2W 混合鍵合對晶圓形狀和弓形都很敏感,因此對晶圓級和芯片級形狀計量的需求日益增加,以進行表征和控制。

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芯片封裝清洗:

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

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。

合明科技運用自身原創的產品技術,滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求,打破國外廠商在行業中的壟斷地位,為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。

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