将芯片固定于封装基板上的工艺——芯片键合(Die Bonding)

转自：半导体工程师 失效分析 赵工，来源：艾邦半导体网；作者：陈锺文

作为半导体制造的后工序，封装工艺包含背面研磨(Back Grinding)、划片(Dicing)、芯片键合(Die Bonding)、引线键合(Wire Bonding)及成型(Molding)等步骤。这些工艺的顺序可根据封装技术的变化进行调整、相互结合或合并。今天，我们将介绍芯片键合(die bonding)工艺，采用这种封装工艺可在划片工艺之后将从晶圆上切割的芯片黏贴在封装基板（引线框架或印刷电路板）上。 

1.什么是键合(Bonding)？

在半导体工艺中，“键合”是指将晶圆芯片固定于基板上。键合工艺可分为传统方法和先进方法两种类型。传统方法采用芯片键合(Die Bonding)（或芯片贴装(Die Attach)）和引线键合(Wire Bonding)，而先进方法则采用IBM于60年代后期开发的倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)技术。倒装芯片键合技术将芯片键合与引线键合相结合，并通过在芯片焊盘上形成凸块(Bump)的方式将芯片和基板连接起来。

图1. 键合类型

就像发动机用于为汽车提供动力一样，芯片键合技术通过将半导体芯片附着到引线框架(Lead Frame)或印刷电路板(PCB, Printed Circuit Board)上，来实现芯片与外部之间的电连接。完成芯片键合之后，应确保芯片能够承受封装后产生的物理压力，并能够消散芯片工作期间产生的热量。必要时，必须保持恒定导电性或实现高水平的绝缘性。因此，随着芯片尺寸变得越来越小，键合技术变得越来越重要。

2. 芯片键合步骤

在芯片键合过程中，首先需在封装基板上点上粘合剂。接着，将芯片顶面朝上放置在基板上。与此相反，倒装芯片键合则是一种更加先进的技术，首先，将称为“焊球(Solder Ball)”的小凸块附着在芯片焊盘上。其次，将芯片顶面朝下放置在基板上。在这两种方法中，组装好的单元将经过一个被称为温度回流(Temperature Reflow)的通道，该通道可随着时间的推移调节温度，以熔化粘合剂或焊球。然后，在其冷却后将芯片（或凸块）固定到基板上。

图2. 芯片键合与倒装芯片键合之间的比较

3．芯片拾取与放置(Pick & Place)

逐个移除附着在切割胶带上数百个芯片的过程称为“拾取”。使用柱塞从晶圆上拾取合格芯片并将其放置在封装基板表面的过程称为“放置”。这两项任务合称为“拾取与放置”，均在固晶机1*上完成。完成对所有合格芯片的芯片键合之后，未移除的不合格芯片将留在切割胶带上，并在框架回收时全部丢弃。在这个过程中，将通过在映射表2*中输入晶圆测试结果（合格/不合格）的方式对合格芯片进行分类。

图3. 芯片拾取和放置

1*固晶机(Die bonder)：用于芯片键合的装置。
2*映射表(Mapping Table)：用于设定合格和不合格芯片标准的软件。

4. 芯片顶出(Ejection)工艺

完成划片工艺之后，芯片将被分割成独立模块并轻轻附着在切割胶带(Dicing Tape)上。此时，逐个拾取水平放置在切割胶带上的芯片并不容易。因为即使使用真空也很难轻易拾取芯片，如果强行拉出，则会对芯片造成物理损坏。

图4. 芯片顶出工艺：在三个方向施加力时的放大图

为此，可采用“顶出(Ejection)工艺”，通过顶出装置3*对目标芯片施加物理力，使其与其他芯片形成轻微步差，从而轻松拾取芯片。顶出芯片底部之后，可使用带有柱塞的真空吸拾器从上方拉出芯片。与此同时，使用真空吸拾器将切割胶带底部拉起，以使晶圆保持平整。

3*顶出装置(Ejector)：用于从切割胶带下方顶起芯片的顶针。

5. 使用环氧树脂(Epoxy)实现粘合的芯片键合工艺

在执行芯片键合时，可使用金或银（或镍）制成合金，特别是对于大型密封封装。也可通过使用焊料或含有金属的糊剂（Power Tr）进行连接，或使用聚合物-聚酰亚胺(Polymer, Polyimide)进行芯片键合。在高分子材料中，含银糊状或液体型环氧树脂(Epoxy)相对易于使用且使用频率较高。

使用环氧树脂进行芯片键合时，可将极少量环氧树脂精确地点在基板上。将芯片放置在基板上之后，通过回流(Reflow)或固化(Curing)，在150°C至250°C的温度条件下使环氧树脂硬化，以将芯片和基板粘合在一起。此时，若所使用环氧树脂的厚度不恒定，则会因膨胀系数差异而导致翘曲(Warpage)，从而引起弯曲或变形。因此，尽管使用少量环氧树脂较为有利，但只要使用环氧树脂就会发生不同形式的翘曲。

正因为如此，一种使用晶片黏结薄膜（Die Attach Film, DAF）的先进键合方法成为近年来的首选方法。尽管DAF具有价格昂贵且难以处理的缺点，但却易于掌握使用量，简化了工艺，因此使用率正在逐渐增加。

6. 使用晶片黏结薄膜（DAF）的芯片键合工艺

DAF是一种附着在晶粒底部的薄膜。相比高分子材料，采用DAF可将厚度调整至非常小且恒定的程度。DAF不仅应用于芯片和基板之间的键合，还广泛应用于芯片与芯片之间的键合，从而形成多晶片封装（MCP）。换句话说，紧密粘合在芯片上的DAF等待切割工艺完成，然后在芯片键合过程中发挥自身的作用。

图5. 使用晶片黏结薄膜（DAF）的芯片键合工艺

从切割芯片的结构来看，位于芯片底部的DAF支撑着芯片，而切割胶带则以弱粘合力牵拉着位于其下方的DAF。在这种结构中，要进行芯片键合，就需要在移除切割胶带上的芯片和DAF之后立即将晶粒放置在基板上，并且不得使用环氧树脂。由于在此过程中可跳过点胶工序，因此环氧树脂的利弊被忽略，取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF时，部分空气会穿透薄膜，引起薄膜变形等问题。因此，对处理DAF的设备的精度要求格外高。尽管如此，DAF仍然是首选方法，因为它能够简化工艺并提高厚度均匀性，从而降低缺陷率并提高生产率。

用于放置芯片的基板类型（引线框架或印刷电路板）不同，执行芯片键合的方向也存在很大差异。很久以前，基于PCB的基板已经因其可应用于小尺寸批量生产封装而得到广泛使用。相应地，随着键合技术的日益多样化，用于烘干粘合剂的温度曲线(Temperature Profile)也在不断变化。其中一些具有代表性的键合方法包括加热粘接和超声波粘接。随着集成技术的不断提高，封装工艺继续朝着超薄方向发展，封装技术也变得多样化。

免责申明：本文内容转自：半导体工程师 失效分析 赵工，来源：艾邦半导体网；作者：陈锺文。文字、素材、图片版权等内容属于原作者，本站转载内容仅供大家分享学习。如果侵害了原著作人的合法权益，请及时与我们联系，我们会安排删除相关内容。本文内容为原作者观点，并不代表我们赞同其观点和（或）对其真实性负责。

先艺电子、XianYi、先艺、金锡焊片、Au80Sn20焊片、Solder Preform、芯片封装焊片供应商、芯片封装焊片生产厂家、光伏焊带、银基钎料、助焊膏、高温助焊剂、高温焊锡膏、flux paste、陶瓷绝缘子封装、气密性封装、激光器巴条封装、热沉、heatsink、IGBT大功率器件封装、光电子器件封装、MEMS器件封装、预成型锡片、纳米银、纳米银膏、微纳连接技术、AuSn Alloy、TO-CAN封装、低温焊锡膏、喷印锡膏、银焊膏、银胶、银浆、烧结银、低温银胶、银烧结、silver sinter paste、Ceramic submount、低温共晶焊料、低温合金预成形焊片、Eutectic Solder、低温钎焊片、金锡Au80Sn20焊料片、铟In合金焊料片、In97Ag3焊片、锡银铜SAC焊料片、锡锑Sn90Sb10焊料片、锡铅Sn63Pb37焊料片、金锡Au80Sn20预成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封装焊片生产厂家、TO封帽封装焊片、In52Sn48、铟银合金焊片、纯铟焊片供应商、铟In合金预成形焊片、锡银铜SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、锡银铜预成形焊片焊箔供应商、锡锑焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、锡铅焊片、锡铅Sn63Pb37焊片供应商、锡铅Sn63Pb37焊片生产厂家、锡铅预成形焊片、金锡合金焊片选型指南、低温合金焊片应用、低温合金焊片如何选择、预成形焊片尺寸选择、xianyi electronic、半导体芯片封装焊片、光电成像器件的盖板密封焊接、无助焊剂焊片、圆环预成形焊片、方框预成形焊片、金属化光纤连接焊片、金基焊料、金锗焊料、金硅焊料、器件封装焊料、预涂助焊剂、带助焊剂焊片、金锡助焊剂、共晶助焊膏、预置焊片、金锡封装、箔状焊片、预制焊锡片、预镀金锡、预涂金锡

广州先艺电子科技有限公司是先进半导体连接材料制造商、电子封装解决方案提供商，我们可根据客户的要求定制专业配比的金、银、铜、锡、铟等焊料合金，加工成预成形焊片，提供微电子封装互连材料、微电子封装互连器件和第三代功率半导体封装材料系列产品，更多资讯请看www.xianyichina.com，或关注微信公众号“先艺电子”。