將芯片固定于封裝基板上的工藝 - 線片鍵合(Die Bonding) 

作為半導(dǎo)體制造的后段工序，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。這些工藝的順序可根據(jù)封裝技術(shù)的變化進(jìn)行調(diào)整、相互結(jié)合或合并。在上一期中，我們介紹了將晶圓切割成單個(gè)芯片的劃片工藝。今天小編就給大家介紹一下芯片鍵合(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。

1、什么是鍵合(Bonding)？

圖1. 鍵合類型

在半導(dǎo)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(tǒng)方法和先進(jìn)方法兩種類型。傳統(tǒng)方法采用芯片鍵合(Die Bonding)（或芯片貼裝(Die Attach)）和引線鍵合(Wire Bonding)，而先進(jìn)方法則采用IBM于60年代后期開發(fā)的倒裝芯片鍵合(Flip Chip Bonding)技術(shù)。倒裝芯片鍵合技術(shù)將芯片鍵合與引線鍵合相結(jié)合，并通過在芯片焊盤上形成凸塊(Bump)的方式將芯片和基板連接起來。

就像發(fā)動(dòng)機(jī)用于為汽車提供動(dòng)力一樣，芯片鍵合技術(shù)通過將半導(dǎo)體芯片附著到引線框架(Lead Frame)或印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)上，來實(shí)現(xiàn)芯片與外部之間的電連接。完成芯片鍵合之后，應(yīng)確保芯片能夠承受封裝后產(chǎn)生的物理壓力，并能夠消散芯片工作期間產(chǎn)生的熱量。必要時(shí)，必須保持恒定導(dǎo)電性或?qū)崿F(xiàn)高水平的絕緣性。因此，隨著芯片尺寸變得越來越小，鍵合技術(shù)變得越來越重要。

2、芯片鍵合步驟

圖2. 芯片鍵合與倒裝芯片鍵合之間的比較

在芯片鍵合過程中，首先需在封裝基板上點(diǎn)上粘合劑。接著，將芯片頂面朝上放置在基板上。與此相反，倒裝芯片鍵合則是一種更加先進(jìn)的技術(shù)，首先，將稱為“焊球(Solder Ball)”的小凸塊附著在芯片焊盤上。其次，將芯片頂面朝下放置在基板上。在這兩種方法中，組裝好的單元將經(jīng)過一個(gè)被稱為溫度回流(Temperature Reflow)的通道，該通道可隨著時(shí)間的推移調(diào)節(jié)溫度，以熔化粘合劑或焊球。然后，在其冷卻后將芯片（或凸塊）固定到基板上。

3、芯片拾取與放置(Pick & Place)

圖3. 芯片拾取和放置

逐個(gè)移除附著在切割膠帶上數(shù)百個(gè)芯片的過程稱為“拾取”。使用柱塞從晶圓上拾取合格芯片并將其放置在封裝基板表面的過程稱為“放置”。這兩項(xiàng)任務(wù)合稱為“拾取與放置”，均在固晶機(jī)1上完成。完成對所有合格芯片的芯片鍵合之后，未移除的不合格芯片將留在切割膠帶上，并在框架回收時(shí)全部丟棄。在這個(gè)過程中，將通過在映射表2中輸入晶圓測試結(jié)果（合格/不合格）的方式對合格芯片進(jìn)行分類。

4、芯片頂出(Ejection)工藝

圖4. 芯片頂出工藝：在三個(gè)方向施加力時(shí)的放大圖

完成劃片工藝之后，芯片將被分割成獨(dú)立模塊并輕輕附著在切割膠帶(Dicing Tape)上。此時(shí)，逐個(gè)拾取水平放置在切割膠帶上的芯片并不容易。因?yàn)榧词故褂谜婵找埠茈y輕易拾取芯片，如果強(qiáng)行拉出，則會(huì)對芯片造成物理損壞。

為此，可采用“頂出(Ejection)工藝”，通過頂出裝置3對目標(biāo)芯片施加物理力，使其與其它芯片形成輕微步差，從而輕松拾取芯片。頂出芯片底部之后，可使用帶有柱塞的真空吸拾器從上方拉出芯片。與此同時(shí)，使用真空吸拾器將切割膠帶底部拉起，以使晶圓保持平整。

5、使用環(huán)氧樹脂(Epoxy)實(shí)現(xiàn)粘合的芯片鍵合工藝

在執(zhí)行芯片鍵合時(shí)，可使用金或銀（或鎳）制成合金，特別是對于大型密封封裝。也可通過使用焊料或含有金屬的糊劑(Power Tr)進(jìn)行連接，或使用聚合物-聚酰亞胺(Polymer, Polyimide)進(jìn)行芯片鍵合。在高分子材料中，含銀糊狀或液體型環(huán)氧樹脂(Epoxy)相對易于使用且使用頻率較高。

使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行芯片鍵合時(shí)，可將極少量環(huán)氧樹脂精確地點(diǎn)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(shí)，若所使用環(huán)氧樹脂的厚度不恒定，則會(huì)因膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致翹曲(Warpage)，從而引起彎曲或變形。因此，盡管使用少量環(huán)氧樹脂較為有利，但只要使用環(huán)氧樹脂就會(huì)發(fā)生不同形式的翹曲。

正因?yàn)槿绱?，一種使用晶片黏結(jié)薄膜(Die Attach Film, DAF)的先進(jìn)鍵合方法成為近年來的首選方法。盡管DAF具有價(jià)格昂貴且難以處理的缺點(diǎn)，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。

6、使用晶片黏結(jié)薄膜(DAF)的芯片鍵合工藝

圖6. 使用晶片黏結(jié)薄膜(DAF)的芯片鍵合工藝

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