一文了解芯片封装全流程

一文了解芯片封装全流程

芯片封装是半导体制造过程中的重要环节，它不仅保护芯片免受外界环境影响，还负责将芯片与外部电路连接起来。本文将详细介绍芯片封装的目的、发展历程以及具体的封装工艺流程，帮助读者全面了解这一复杂而精密的技术。

芯片封装目的

半导体芯片封装主要基于以下四个目的：

1. 防护：裸露的芯片只有在严格的环境控制下才不会失效，如恒定的温度（230±3℃）、恒定的湿度（50±10%）、严格的空气尘埃颗粒度控制（一般介于 1K 到 10K）及严格的静电保护措施。然而，实际生活中很难达到这种要求，因此需要封装来保护芯片。

2. 支撑：一是支撑芯片，将芯片固定好便于电路的连接；二是支撑封装完成后的器件，使得整个器件不易损坏。载片台用于承载芯片，环氧树脂粘合剂用于将芯片粘贴在载片台上，引脚用于支撑整个器件，而塑封体则起到固定及保护作用。

3. 连接：将芯片的pad和外界的电路连通。引脚用于和外界电路连通，金线则用于引脚和芯片的电路连接。

4. 可靠性：封装材料和工艺的选择会直接影响到芯片的长期可靠性，因此芯片的工作寿命主要取决于对封装材料和封装工艺的选择。

芯片封装技术的发展趋势

芯片封装技术经历了从插装到表贴，再到面阵列、基板+堆叠封装，最后发展到扇出封装的历程。以下是各阶段的主要特点：

1. 插装时代：最早期的封装形式为引线封装，包括DIP（双列直插封装）等。这种封装形式主要解决的是封装内部的绝缘以及良好的热传导性能问题。多数封装使用了塑料、陶瓷或金属等材料，以提供一定程度的物理和环境保护。然而，由于引线封装尺寸较大，因此集成度较低。

2. 表贴时代：也就是表面贴装技术（Surface Mount Technology），主要的封装形式包括SOP（小尺寸封装）、QFP（四角扁平封装）等。与早期的通孔插装技术相比，表贴时代的封装技术显著提高了封装密度，使得更多的电子元件能够集成在更小的空间内，推动了封装技术朝着更小型更高集成度的方向发展。

3. 面阵列时代：指的是20世纪90年代以后的封装技术发展阶段，主要的封装形式包括BGA（球栅阵列封装）、QFN（无引脚封装）、CSP（Chip Scale Package）等。这种封装技术显著提高了封装密度和I/O引脚数量，满足了高性能芯片对封装技术的需求，并且提供了更短的信号传输路径和更好的电气性能，满足了高速、高频、高性能芯片对封装技术的要求。

4. 基板+堆叠封装时代：是指在不改变封装体的尺寸的前提下，通过2.5D TSV技术，结合了基板技术和堆叠封装技术的优势，进一步提高了封装密度、性能和可靠性。这种技术起源于快闪存储器（NOR/NAND）及 SDRAM 的叠层封装。通过在封装体内放入多个芯片，可以将单个器件的容量成倍提升，同时保持较低的生产成本和工艺难度。

5. 扇出封装时代：通过在晶圆级别进行封装，并在封装过程中将芯片的I/O互连点布置在芯片面积区域以外的空隙中，从而实现了更高的封装密度和更多的I/O引脚数量。

以SOP封装技术作为封装工艺流程介绍

芯片封装工艺分为两段，分别叫前道（Front-of-line，FOL）和后道（End-of-line，EOL）。前道（FOL）主要是将芯片和引线框架（Leadframe）或基板（Substrate）连接起来，即完成封装体内部组装。后道（EOL）主要是完成封装并且形成指定的外形尺寸，及封装成型。

前道生产工艺

1. 晶圆（wafer）
   封装厂接收到一个从晶圆厂(Wafer Fab)出来的晶圆，上面布满了矩形的芯片，有切割槽的痕迹。

2. 磨片(Backgrinding)
   晶圆出厂时，其厚度通常都在 0.7mm 左右，比封装时的需要的厚度大很多，所以需要磨片。下图就是磨片工艺示意图，晶圆被固定在高速旋转的真空吸盘工作台上，高速旋转的砂轮从背面将晶圆磨薄，将晶圆磨到指定的厚度。

3. 装片（Wafer Mount）
   下图展示了如何将晶圆粘贴到粘性蓝膜上。首先将晶圆正面朝下固定在工作台的真空吸盘上，然后铺上不锈刚晶圆固定铁环（Wafer Ring），再在铁环上盖上粘性蓝膜(Blue Tape)，最后施加压力，把蓝膜、晶圆和铁环粘合在一起。中央的晶圆被固定在蓝膜上，蓝膜被固定在不锈钢铁环上，以便后续工序加工。

4. 划片（Die Sawing）
   高速旋转的金刚石刀片在切割槽中来回移动，将芯片分离。下图是完成切割的晶圆，芯片被沿着切割槽切开。

5. 贴片（Die Attach）
   第一步：顶针从蓝膜下面将芯片往上顶、同时真空吸嘴将芯片往上吸，将芯片与膜蓝脱离。
   第二步：将液态环氧树脂涂到引线框架的台载片台上
   第三步：将芯片粘贴到涂好环氧树脂的引线框架上

6. 引线键合（Wire Bonding）
   是用金线将引线框架的引脚和芯片的焊盘连接起来，上图是截面图，下图俯视图

后段生产工艺

1. 塑封(Molding)
   塑封是用环氧树脂将芯片及用于承载芯片的引线框架一起封装起来，保护芯片，并形成一定等级的的可靠性。具体模具分成上下模，模具上有根据封装体尺寸所预先定好的模腔，其工作温度在通常在 165-185℃范围内。将需要封装的引线框架放置到模具上，然后放入固体环氧树脂饼料，再合上模具并施加合模压力（至少在 30 吨以上）。合模后，给注塑杆上施加压力，环氧树脂在高度高压下开始液化然后在被挤入腔中后，它将再次固化，形成我们所需要的外形尺寸。上图是塑封过程，下图是塑封后的俯视图和截面图

2. 切筋(Trim)
   对比塑封后的图我们可以发现，切筋后引脚之间的连筋已经没有了。切筋的作用是将引脚之间的连筋切开，以方便成形工艺。

3. 电镀(Plating)
   可以发现，相比切筋后，引脚之间的颜色有了变化。电镀的作用是增强导电性能。

4. 成形(Form)
   引脚的外形是由冲压模具来完成，器件被固定在模具上，刀具从上下冲压成形，然后将器件与引线框架分离，成形工艺是半导体封装的最后一步，其外形尺寸有严格的行业标准， TSOP 封装的总高度不得超过 1.27mm、 引脚节距 0.5mm，塑封体厚度为 1.0mm