先介绍一下倒装封装 。懂芯
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业界普遍认为 ,片的篇倒倒装封装是封装封装传统封装和先进封装的分界点 。
上期我们提到,工艺芯片封装发展的先进第三阶段(1990年代),代表类型是装封装BGA(球形阵列)封装。早期的懂芯BGA封装 ,是片的篇倒WB(Wire Bonding,引线) BGA ,云计算封装封装属于传统封装 。工艺
后来,先进芯片的装封装体积越来越小 ,而单颗芯片内的懂芯焊盘数量越来越多(接近或超过1000个)。传统的片的篇倒引线封装,已经无法满足要求。封装封装
于是,采用倒装技术替换焊线的FC BGA封装,就出现了。
所谓“倒装”,服务器租用就是在晶粒上创造一些由焊料制成的“凸点”或“球” 。然后,把晶粒反转过来,让凸点对准基板上的焊盘,直接扣在基板上。
通过加热,让熔融的凸点与基板焊盘相结合 ,实现晶粒与基板的结合 。
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WB BGA与FC BGA
我们来看看具体的工艺流程。
以FC BGA为例。源码下载前面减薄 、切割、清洗 、光检,和WB BGA(传统封装)差不多。
要把晶粒与基板连在一起(后面会说,这叫“键合”) ,开始不一样了。
第一步,是凸点制作(Bumping) 。倒装封装包括热超声、回流焊和热压三种工艺 ,其凸点分别使用金球 、锡球和铜柱 。
热超声 ,亿华云是在超声和温度的共同作用下, 将金凸点“粘”在基板的焊盘上 。这种方式 ,适用于I/O密度较小的芯片 。
回流焊,是在锡凸点表面涂覆助焊剂 ,再通过热回流加热 ,进行焊接。这种方式也适合I/O密度较小(凸点间距40-50μm)的芯片。
热压(Thermal Compression Bonding ,TCB) ,源码库采用高深宽比、小尺寸的铜柱凸点,直接加热粘结。这种方式能够实现高密度互联,适用于I/O密度较大(凸点间距40-10μm)的芯片 。
金凸点的成本高。相比之下 ,铜柱凸点的电性能、散热性能比较好,制备难度均衡 ,成本也比较低,所以用得比较多。模板下载
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电子显微镜下的凸点
制作凸点的流程比较复杂。其实说白了,就是前面晶圆制造时的那套工艺 ,例如沉积 、光刻、刻蚀等。
沉积包括UBM(Under Bump Metallization,凸点下金属化层)的沉积和凸点本身的沉积。UBM位于凸点与芯片焊盘(金属垫 ,Al pad铝垫层)之间,起到增强凸点附着力 、提高电导率和热导率的作用。
UBM的沉积,通常采用溅射(Sputtering)、化学镀(Electroless) 、电镀(Electroplating)的方式实现。
凸点本身的沉积,通常采用电镀、印刷 、蒸镀 、植球的方式实现(前两者比较常见)。
大致的流程 ,看下面的示例图应该能懂(不懂的话,可以回顾晶圆制造那一期的内容) :
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比较特别的是,最后多了一个步骤——“回流” ,把锡帽变成了子弹头形状。
第二步 ,是对准和贴装 。简单来说,就是使用精密的贴装设备 ,将晶粒上的凸点与基板上的焊盘进行精确对准 ,然后通过回流焊等工艺,实现凸点与焊盘的连接 。
回流焊的大致过程 :

回流焊流程
先将晶粒(芯片)的凸点沾上助焊剂 ,或者在基板上加定量的助焊剂 。助焊剂的作用,是去除金属表面氧化物并促进焊料流动。
然后,用贴片设备将晶粒精准地放到基板上。
接下来 ,将晶粒和基板整体加热(回流焊),实现凸点和焊盘之间的良好浸润结合(温度和时长需要严格控制)。
最后 ,清洗去除助焊剂,就OK了。
凸点数量较多 、间距较小时 ,回流焊容易导致出现翘曲和精度问题 。于是 ,这个时候就可以用热压(TCB)工艺。
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热压流程
前文提到 ,热压(TCB)工艺非常适合更多凸点 、更小凸点间距的芯片 。它利用高精度相机完成芯片间的对准 ,并通过控制热压头的压力与位移接触基座,施加压力并加热 ,实现连接 。(后续我们讲混合键合,会再提到热压 。)
第三步,底部填充。连接之后,大家会注意到 ,晶粒和基板之间的区域是空心结构。(芯片底部的焊球分布区,也叫C4区域 ,Controlled Collapse Chip Connection,“可控塌陷芯片连接” 。)
为了避免后续出现偏移、冷焊 、桥接短路等质量问题,需要对空心部分进行填充。
填充和传统封装的塑封有点像 ,使用的是填充胶(Underfill) 。不仅能够固定晶粒,防止移动或脱落,还能够吸收热应力和机械应力,提高封装的可靠性 。
底部填充工艺一般分为三种:毛细填充(流动型) 、无流动填充和模压填充。
一般来说,倒装封装都是以毛细填充为主。方法比较简单:清洗助焊剂之后,沿着芯片边缘 ,注入底部填充胶 。底部填充胶借助毛细作用,会被吸入芯片和基板的空隙内 ,完成填充。
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填充之后 ,还要进行固化 。固化的温度和时间,取决于填充胶的种类和封装要求 。
以上,就是倒装封装(凸点工艺)的大致流程 。
相比传统封装 ,倒装封装的优势非常明显:
1、能够实现高密度的I/O电气连接,有利于减小芯片的体积 。
2、凸点连接 ,相比引线,可靠性也更强。
3 、信号传输路径大大缩短,减少寄生电容和电感,提高信号的完整性。
4、晶粒和基板直接接触,热量能够快速传导并散发出去 。
凸点(bump)的制造过程与晶圆制造(前道)过程非常相似 ,本身又介于晶圆制造(前道)和封装测试(后道)之间。所以 ,也被称作“中道”工序。
后面会提到的TSV和RDL,也是中道工序
。
最近这十几年 ,先进封装高速发展,凸点工艺也一直在演进 。
从球栅阵列焊球(BGA Ball)到倒装凸点(FC Bump) ,再到微凸点(μBump) ,凸点的尺寸在不断缩小 ,技术难度也在不断升级。
后续小枣君要提到的芯片堆叠 、还有立体封装(2.5D/3D) ,很多都是以凸点工艺为基础。它的重要性不言而喻,请大家一定要注意。
3D封装中的微凸点(μBump)
插播一个概念——键合(Bonding) 。
上期小枣君介绍了传统封装里的引线封装。刚才,又介绍了倒装封装。
这种将晶圆和晶圆 、晶圆和基板“粘贴”在一起的做法 ,有一个专门的名字,就是键合 。
引线封装 ,叫引线键合。倒装封装,叫倒装键合 。
除了这两种键合之外 ,还有:载带自动键合 、混合键合 、临时键合等。
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载带自动键合(Tape Automated Bonding ,TAB) ,是一种将芯片组装到柔性载带上的芯片封装键合技术。
载带自动键合与引线键合非常类似 ,主要区别在于引线键合中,芯片的载体是引线框架或者PCB基板 。而载带自动键合,用的是柔性载带。
载带自动键合
载带既作为芯片的支撑体 ,又作为芯片与外围电路连接的引线。
载带自动键合包括以下5个步骤 :
1、制作载带 :载带其实就是铜箔材料。将铜箔贴合在聚酰亚胺胶带上,经过光刻和蚀刻,形成固定的、精细的导电图形 ,并制作定位孔和引线窗口,就变成了载带 。
2 、内引线键合(ILB,Inner Lead Bonding):将预先形成焊点的芯片精确定位后 ,采用热压或热超声方式同时将所有内引线与芯片焊盘连接 。
3 、对准和贴装:将芯片贴装在基板上。
4、外引线键合(OLB,Outer Lead Bonding) :将载带与基板或PCB对准 ,通常采用热压方式实现批量键合 。
5 、注塑保护 :这个和引线键合流程差不多 ,就是形成保护层 。
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相比于引线键合,载带自动键合适合高密度、细间距的封装要求 ,具有不错的电气性能和散热性能 ,适合LCD驱动器等高密度引线连接场合。
在传统、低成本应用中 ,载带自动键合凭借工艺简单、技术成熟的特点 ,仍有一定优势。但现在都是更高性能、更高密度封装时代 ,载带自动键合在应用和普及上,肯定还是不如倒装键合。
混合键合、临时键合 ,这两个概念非常重要。后续讲到立体封装时,小枣君会详细介绍 。
再插播一个概念——CSP(Chip Scale Package,芯片级封装) 。
前面几期里,提到过CSP ,说CSP是芯片小型化封装的一种方式。
CSP是BGA之后开始崛起的。主要原因,就是因为数码产品小型化、便携化,对芯片体积提出了要求 。
CSP封装 ,锡球间隔及直径更小 ,芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14,已经相当接近 1:1 的理想情况 ,约为普通BGA封装的1/3。
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和BGA一样,CSP也分为WB CSP和FC CSP 。
通常来说 ,FC CSP较多应用于移动设备(例如手机)的AP、基带芯片 。而FC BGA ,较多应用于PC、服务器的CPU 、GPU等高性能芯片 。
这个知识点大家知道一下就好,不算重点 。
好了 ,今天先讲到这里 。