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作為半導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。這些工藝可根據封裝技術的變化進行調整、相互結合或合并。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。

當然，在想要了解芯片鍵合(die bonding)工藝前，我們首先要了解的應該是關于“鍵合(Bonding)”這個工藝方面的相關知識點。

一、鍵合(Bonding)工藝技術的介紹

在半導體工藝中，“鍵合”是指將晶圓芯片固定于基板上。鍵合工藝可分為傳統方法和先進方法兩種類型。傳統方法采用芯片鍵合(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，是確保電信號傳輸的一個過程。

而先進方法則采用IBM公司在1960年研制開發(fā)出在芯片上制作凸點的倒裝芯片焊接工藝。以95Pb5Sn凸點包圍著電鍍NiAu的凸球。后來制作PbSn凸點，使用可控塌焊連接(Controlled collapse Component Connection, 簡稱C4技術)，該技術最初為自己的大型計算機主機所開發(fā)的一種高可靠的封裝技術。C4芯片具有優(yōu)良的電學、熱學性能，封裝疲勞壽命至少提高10倍以上，倒裝芯片鍵合技術將芯片鍵合與引線鍵合相結合，通過芯片上的凸點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體設備，有些元件，如無源濾波器，探測天線，存儲器裝備也開始使用倒裝芯片技術，由于芯片直接通過凸點直接連接基板和載體上。因此，更確切的說，倒裝芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下圖中CPU及內存條等電子產品是最常見的應用倒裝芯片技術的器件。

下圖是內存條中存儲芯片通過倒裝技術與線路板連接，芯片與電路板中間通過填充膠固定。

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

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。連接可分為兩種類型，即傳統方法和先進方法。傳統的方法包括晶片連接(或晶片連接)和電線連接，而先進的方法包括IBM在60年代末開發(fā)的倒裝芯片連接。倒裝芯片鍵合是一種結合了模具鍵合和導線鍵合的方法，是通過在芯片襯墊上形成凸起來連接芯片和襯底的方法。

就像發(fā)動機安裝在汽車上以提供動力一樣，通過將半導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。芯片連接后，應能承受封裝后產生的物理壓力，并能散發(fā)芯片工作時產生的熱量。必要時，它必須保持恒定的導電或實現高水平的絕緣。因此，隨著芯片變得越來越小，鍵合方法變得越來越重要。

三、芯片鍵合（Die Bound）的流程

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

作為先進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，組裝后單元通過一個稱為溫度回流的隧道，該隧道可以隨著時間的推移調節(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）裝備的構成

1、晶圓工作臺

作為芯片鍵合裝備的基礎平臺，晶圓工作臺負責承載并精確移動晶圓，確保在鍵合過程中芯片能夠被準確地定位到預定位置。其穩(wěn)定性與精度直接影響到鍵合質量。

2、芯片鍵合頭

這是實現芯片與基板物理連接的關鍵部件，通過熱壓、超聲波、激光等多種方式完成芯片的放置和焊接。鍵合頭的設計直接關系到鍵合強度和可靠性。

3、框架傳輸系統

負責芯片載體（如框架、基板）的自動傳輸與定位，確保高效率且無損地進行連續(xù)作業(yè)，是提高生產效率和良率的重要組成部分。

4、機器視覺系統

利用高精度相機和圖像處理算法，對芯片、基板等進行定位識別和質量檢測，確保鍵合精度和產品質量。在自動化程度極高的半導體生產線上，機器視覺系統是不可或缺的“眼睛”。

5、點膠系統

在某些封裝工藝中，需要預先在基板上施加適量的黏合劑或導電膠，點膠系統的精確控制對于保證鍵合效果至關重要。

五、芯片取放工藝Pick&Place

單獨地取出附著在膠帶上的芯片被稱為“Pick”。當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為“Place”。這兩項動作被稱為“拾取和放置”"Piack&Place工藝。這個過程，也可以通過輸入晶圓測試結果(Go / No Go)來對好的芯片進行分選。

六、芯片彈壓

每一個完成切片過程的芯片，由弱粘性附著在膠帶上。這時，要把水平放置在切丁膠帶上的芯片一個接一個地撿起來就不那么容易了。這是因為即使用真空吸塵器拉起它也不容易脫落，如果強行拔出，它會對芯片造成物理損傷。

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

七、Die Bonding工藝基礎培訓

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八、環(huán)氧樹脂(Epoxy)實現粘合的芯片鍵合工藝

環(huán)氧樹脂密封保護加固作用的前提是膠水已經固化，而焊點周圍有錫膏中的助焊劑殘留，如果底部填充膠與殘留的助焊劑不兼容，導致底部填充膠無法有效固化，那么底部填充膠也就起不到相應的作用了，因此，底部填充膠與錫膏是否兼容，是底部填充膠選擇與評估時需要重點關注的項目。

底部填充膠除起加固作用外，還有防止?jié)駳狻㈦x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之間的熱應力、機械應力集中的問題，因此對底部填充膠而言，很重要的可靠性試驗是溫度循環(huán)實驗和跌落可靠性實驗。

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

正因為如此，一種使用晶片黏結薄膜（Die Attach Film, DAF）的先進鍵合方法成為近年來的首選方法。盡管DAF具有價格昂貴且難以處理的缺點，但卻易于掌握使用量，簡化了工藝，因此使用率正在逐漸增加。

九、芯片粘合工藝

當使用環(huán)氧樹脂進行模具粘合時，通過點膠將非常少量的環(huán)氧樹脂精確地涂在基材上。在其上放置芯片后，環(huán)氧樹脂通過回流或固化在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)氧樹脂的厚度不恒定，則可能由于熱膨脹系數的差異而發(fā)生引起彎曲或變形的翹曲。由于這個原因，膠量的控制非常重要。但只要使用環(huán)氧樹脂，任何形式的翹曲都會發(fā)生。

這就是為什么最近使用模貼膜(DAF)的更先進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，但它的厚度可以很好的控制，并且簡化了工藝過程，因此它的使用量逐漸增加。

十、晶片黏結薄膜（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可將厚度調整至非常小且恒定的程度。DAF不僅應用于芯片和基板之間的鍵合，還廣泛應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，緊密粘合在芯片上的DAF等待切割工藝完成，然后在芯片鍵合過程中發(fā)揮自身的作用。

從切割芯片的結構來看，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。在這種結構中，要進行芯片鍵合，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)氧樹脂。由于在此過程中可跳過點膠工序，因此環(huán)氧樹脂的利弊被忽略，取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF時，部分空氣會穿透薄膜，形成空洞從而引起薄膜變形等問題。因此，對處理DAF的設備的精度要求格外高。屹立芯創(chuàng)憑借過硬的技術水準，以核心技術為品質支撐，運用核心專利技術進一步保證制程穩(wěn)定運行。真空壓力除泡系統VPS使用多重多段真空壓力切換系統，可根據材料特性分段設定壓力與真空數值，配備了雙增壓系統和雙溫控保護系統，保證封裝精度及良率。精準去除氣泡問題的同時，亦可幫助客戶大幅提升UPH、降低生產風險與成本、提高產品良率與可靠性。使用DAF膜能夠簡化工藝并提高厚度均勻性，從而降低缺陷率并提高生產率。

用于放置芯片的基板類型（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。相應地，隨著鍵合技術的日益多樣化，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。隨著集成技術的不斷提高，封裝工藝繼續(xù)朝著薄型化方向發(fā)展，封裝技術也變得多樣化。

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，厚度可以調整到比使用聚合物材料時更薄和恒定。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)。

從切片芯片的結構來看，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。為了在這種結構中進行模具粘合，在一次將芯片和DAF從切丁帶上取下后，應將模具放置在基板上，而不使用環(huán)氧樹脂。這個過程跳過點膠程序，不僅速度更快，而且完美避開了點膠厚度不均引起的問題。

使用DAF時，一些空氣可以穿透薄膜，引起薄膜變形等問題。特別是，處理DAF的設備需要高精度。然而，使用daf是首選的方法，因為它可以減少缺缺率，提高生產率，因為它簡化了過程，增加了厚度的均勻性。

根據基板類型(引線框架或PCB)，進行模鍵合的方法變化很大。長期以來，基于pcb的基板被頻繁使用，因為它可以批量生產小尺寸的封裝。隨鍵合技術的多樣化，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型發(fā)展，集成程度不斷提高，封裝技術也在多樣化。

十二、寫在最后面的話

隨著倒裝芯片級封裝（FCBGA）、系統級封裝（SiP）、芯片級封裝（CSP）、球狀引腳柵格陣列封裝（BGA）等先進封裝技術的廣泛應用，芯片鍵合裝備正面臨著更高的技術挑戰(zhàn)和市場需求。這些封裝技術能夠實現更小的封裝尺寸、更高的I/O密度、更好的散熱性能和更低的信號延遲，是推動半導體行業(yè)向高性能計算、5G通信、物聯網、人工智能等領域發(fā)展的關鍵技術。

芯片鍵合裝備及其相關技術的持續(xù)創(chuàng)新，是推動半導體產業(yè)向更高端、更精密方向發(fā)展的關鍵。面對未來智能化、低功耗、高集成度的市場需求，研發(fā)更高效率、更低成本、更環(huán)保的鍵合裝備和技術，將成為行業(yè)內的共同目標。隨著人工智能、大數據等技術的融合應用，未來的芯片鍵合裝備將更加智能化，進一步提升半導體制造的整體水平和競爭力。

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參考文獻：

1、https://www.zhihu.com/people/duan.yu 愛在七夕時 - 知乎

2https://www.toutiao.com/c/user/token/MS4wLjABAAAAUkmyCsEUiJ_5o06AvWcYLW7ycSONRcGHhNAp5cf48gD1xyRQcnphp2kzUC9nfHCB/?source=list&log_from=8856cfa9eb098_1725506099027 愛在七夕時的頭條主頁 - 今日頭條

3、https://wx.zsxq.com/group/48888542154528 愛在七夕時-知識星球

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審核編輯 黃宇