傳統封裝組裝方法概述

圖1顯示了塑料封裝的組裝工藝，塑料封裝是一種傳統封裝方法，分為引線框架封裝（Leadframe Package）和基板封裝（Substrate Package）。這兩種封裝工藝的前半部分流程相同，而后半部分流程則在引腳連接方式上存在差異。

▲圖1：引線框架封裝和基板封裝的組裝步驟（? HANOL出版社）

晶圓經過測試后，首先要經過背面研磨（Backgrinding），以達到所需厚度；然后進行晶圓切割（Wafer Sawing），將晶圓切割成芯片；選擇質量良好的芯片，通過芯片貼裝（Die Attach）工藝將芯片連接到引線框架或基板上；之后通過引線鍵合（Wire Bonding）的方式實現芯片與基板之間的電氣連接；最后使用環氧樹脂模塑料（EMC）進行密封保護。引線框架封裝和基板封裝在前半部分流程中均采用上述步驟。

在后半部分流程中，引線框架封裝采用如下步驟：通過切筋（Trimming）1的方式將引線分離；通過電鍍（Solder Plating）將錫球置放至引線末端；最后是成型（Forming）工藝，成型工藝將封裝分離為獨立單元，并彎曲引線，以便將它們連接到系統板上。而對于基板封裝，則是在進行植球（Solder Ball Mounting），即錫球被焊接在基板焊盤上之前，先完成模塑；之后進行切割，成為獨立封裝，也可稱之為切單（Singulation）。接下來的內容中，將闡述傳統封裝方法的組裝工藝，并重點介紹基板封裝的八個步驟。

1 切筋（Trimming）：一種應用于引線框架封裝的工藝，使用剪切沖床去除引線之間的阻尼條。

第一步：背面研磨

背面研磨工藝可確保將晶圓加工成適合其封裝特性的最佳厚度。該工藝包括對晶圓背面進行研磨處理并將其安裝在環形框架內，如圖2所示。

▲圖2：晶圓背面研磨工藝的四個步驟（? HANOL出版社）

在對晶圓背面進行研磨之前，首先需要在晶圓正面覆蓋一層保護膠帶，稱之為背面研磨保護膠帶。這是為了防止用于繪制電路的晶圓正面遭受物理性損害。之后使用研磨輪（Grinding Wheel）對晶圓背面進行研磨，使其變得更薄。在這個過程中，需要先用高速旋轉的粗磨輪去除大部分多余材料；再用細磨輪對表面進行精磨，以達到理想厚度；最后使用精拋光墊（Fine Pad）對晶圓進行拋光，使其表面變得光滑。如果晶圓表面粗糙，那么在后續工藝中施加應力（Stress）時，會使其更易產生裂痕，導致芯片斷裂。因此，通過拋光來防止裂痕形成，對于減少芯片破損具有重要意義。

對于單芯片封裝而言，通常需要將晶圓研磨到約200-250微米（μm）的厚度。而對于堆疊封裝而言，因將多個芯片堆疊在同一封裝體中，所以芯片（晶圓）需要研磨至更薄。然而，研磨晶圓背面所產生的殘余應力會導致晶圓正面收縮，這樣可能會引發晶圓彎曲成弧形；此外隨著晶圓變薄，其彎曲度也會增加。因此為了保持晶圓平整，首先需要在晶圓背面貼上承載薄膜（Mounting Tape），然后將其固定在環形框架內。最后，去除用于保護晶圓正面器件的背面研磨保護膠帶，露出半導體器件，背面研磨工藝即視為完成。

第二步：晶圓切割/分割

晶圓切割是指沿著晶圓上的劃片槽（Scribe Lane）2進行切割，直到分離出芯片的工藝，也被稱為劃片工藝。晶圓切割是芯片封裝工藝的必要工序。

圖3給出了使用刀片切割法將晶圓分割為芯片的示例。在這種晶圓切割方法中，使用輪狀鋸片來切割和分離晶圓。這種鋸片采用高硬度的金剛石刀頭沿著晶圓劃片線切割，晶圓格狀劃片線如圖左側所示。由于鋸片旋轉時會產生容差3，因此劃片線寬度必須超過砂輪厚度。

2 劃片槽（Scribe Lane）：從晶圓上切割芯片時，既不影響附近器件，又可滿足切片分布所需的足夠寬度的空間。

3 容差：性能差異導致的空間或數字上的誤差范圍。

▲圖3：通過刀片切割工藝將晶圓切割成芯片（? HANOL出版社）

刀片切割存在一個問題：由于切割過程中刀片直接接觸晶圓，因此當晶圓變得越來越薄時，發生斷裂的可能性也隨之增加。而另一種晶圓切割方法——激光切割（Laser Dicing），在切割過程中則無需直接接觸晶圓，而是在晶圓背面利用激光來完成切割，可非常有效地解決斷裂問題。因為激光切割工藝能盡量避免對晶圓表面造成損害，可以保持芯片的堅固性，所以它更適用于切割較薄的晶圓。

隨著晶圓厚度越來越小，先切割后研磨（DBG）這一方法從而被提出。DBG在晶圓切割過程中采取了相反的順序，以減少芯片損壞。傳統工藝先對晶圓背面進行研磨，再對晶圓進行切割；而DBG則先對晶圓進行部分切割，再對晶圓背面進行研磨，最后通過承載薄膜擴張法（MTE）4使其被徹底切割。

4 承載薄膜擴張法（MTE）：利用激光進行隱形切割并在晶圓上形成凹槽后，使貼在晶圓上的承載薄膜出現擴張。然后，在相應區域施加作用力，使晶圓分割成芯片。

第三步：芯片貼裝

如圖4所示，芯片貼裝是指從承載薄膜上拾取經過晶圓切割后的芯片，并將其貼裝在涂有粘合劑的基板或引線框架上的工藝。

▲圖4：芯片貼裝工藝（? HANOL出版社）

晶圓切割的過程中，需防止已切割的芯片從承載薄膜上脫落；而貼裝的過程，則須將芯片從承載薄膜上順利剝離。如果承載薄膜的黏附力太強，在剝離過程中可能會對芯片造成損壞。因此在晶圓切割過程中需確保粘合劑具有較強的粘合力；而在貼片之前，需用紫外線對晶圓進行照射，以減弱其粘合力，此時，只需從承載薄膜上剝離通過晶圓測試的芯片即可。

剝離出來的芯片必須使用粘合劑重新貼裝到基板上，由于粘合劑的類型不同，所需的貼裝工藝也有所不同。如果使用液體粘合劑，則必須使用類似于注射器的點液器或通過網板印刷（Stencil Printing）5提前將粘合劑涂在基板上。而固體粘合劑通常做成膠帶的形式，也被稱為晶片黏結薄膜（Die Attach Film, DAF）或晶圓背面迭片覆膜（WBL），則更適用于堆疊封裝。在完成背面研磨后，在承載薄膜和晶圓背面之間粘貼晶片黏結薄膜；切割晶圓時，晶片黏結薄膜也會同時被切割；由于晶片黏結薄膜會連同其粘接的芯片一起脫落，因此可將晶片黏結薄膜粘接到基板上或其他芯片上。

5 網板印刷（Stencil Printing）：一種使用鏤空模板將糊狀材料涂抹到諸如基板等器件的印刷方法。

第四步：互連

互連是指芯片之間、芯片與基板之間，以及封裝體內其它組合間的電氣連接。接下來將介紹引線鍵合及倒片鍵合（Flip Chip Bonding）這兩種互連方式。

▲圖5：引線鍵合工藝的七個步驟（? HANOL出版社）

引線鍵合

引線鍵合是使用金屬線，利用熱、壓力和振動實現芯片與基板間的電氣連接的工藝。金屬引線的材質通常為金（Au），因為金具有良好的導電性和延展性。引線鍵合類似于縫紉，金屬引線充當縫線，毛細管劈刀（Capillary）6充當縫針。引線宛如紗線纏繞在線軸并安裝到設備上，之后將引線拉出，穿過毛細管劈刀正中央的小孔，在毛細管劈刀末端形成尾線。當采用電子火焰熄滅工藝（EFO）7在引線末端制造出強烈的電火花時，尾線部分將熔化并凝固，在表面張力作用下形成無空氣球（FAB，Free Air Ball）。

FAB制作完成后需對其施壓，使其粘合至焊盤，即完成一次球鍵合（Ball Bonding）。毛細管劈刀在基板移動時，引線會像縫線一樣被拉出，形成一個引線環。向引線施加力量，將其按壓到基板上的電氣連接插腳，即金手指（Bond Finger），以此來實現針腳式鍵合（Stitch Bonding）8。針腳式鍵合后，向后拉緊引線，形成尾線，最后斷開尾線，以完成芯片與基板間連接過程的最后一步。在引線鍵合過程中，其它芯片焊盤和基板金手指之間同樣重復以上過程。

6 毛細管劈刀（Capillary）：引線鍵合設備中輔助引線連接芯片電極與引線端子的工具。

7 電子火焰熄滅（EFO）：用電火花熔化引線形成無空氣球的工藝。

8 針腳式鍵合（Stitch Bonding）：在半導體封裝過程中，通過按壓方式將引線鍵合到焊盤上。

倒片鍵合和底部填充

倒片鍵合是通過在芯片頂部形成的凸點來實現芯片與基板間的電氣和機械連接。因此，倒片鍵合的電氣性能優于引線鍵合。倒片鍵合分為兩種類型：批量回流焊工藝（Mass Reflow，MR）和熱壓縮工藝（Thermo Compression）。批量回流焊工藝通過在高溫下熔化接合處的錫球，將芯片與基板連接在一起。而熱壓縮工藝則通過向接合處施加熱量和壓力，實現芯片與基板間的連接。

僅僅依靠凸點無法處理芯片和基板之間因熱膨脹系數（CTE）9差異所產生的應力，因此需要采用底部填充工藝，使用聚合物填充凸點間隙，以確保焊點可靠性。填充凸點間隙的底部填充工藝主要有兩種：一是后填充（Post-Filling），即在倒片鍵合之后填充材料；二是預填充（Pre-Applied Underfill），即在倒片鍵合之前填充材料。此外，根據底部填充方法的不同，可將后填充分為毛細管底部填充（Capillary Underfill，CUF）和模塑底部填充（Molded Underfill，MUF）。毛細管底部填充是在倒片鍵合后，使用毛細管劈刀沿著芯片的側面注入底部填充材料以填補凸點間隙；而模塑底部填充則是在倒片鍵合后，將環氧樹脂模塑料作為底部充填材料來發揮填充作用。

9 熱膨脹系數（CTE）：一種材料性能，用于表示材料在受熱情況下膨脹的程度。

本文內容源于【SKhynix NEWSROOM】

審核編輯：湯梓紅