半导体的生产过程可分为晶圆制造工序(Wafer Fabrication)、封装工序(Packaging)、测试工序(Test)等几个步骤。其中晶圆制造工序为前道(Front End)工序,而封装工序、测试工序为后道(Back End)工序。封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封,使电路与外部器件实现连接,并为半导体产品提供机械保护,使其免受物理、化学等环境因素损失的工艺。测试是指利用专业设备,对产品进行功能和性能测试,测试主要分为中测和终测两种。
为什么要做封测?
封装是对制造完成的晶圆进行划片、贴片、键合、电镀等一系列工艺,以保护晶圆上的芯片免受物理、化学等环境因素造成的损伤,增强芯片的散热性能,以及将芯片的I/O端口引出的半导体产业环节。
测试是保障成品质量稳定、控制系统损失的关键工艺,主要是对芯片、电路等半导体产品的功能和性能进行验证的步骤,其目的在于将有结构缺陷以及功能、性能不符合要求的半导体产品筛选出来,以确保交付产品的正常应用。集成电路封装技术的演进主要为了符合终端系统产品的需求,为配合系统产品多任务、小体积的发展趋势,集成电路封装技术的演进方向即为高密度、高脚位、薄型化、小型化。
封测的意义重大,获得一颗IC芯片要经过从设计到制造漫长的流程,然而一颗芯片相当小且薄,如果不在外施加保护,会被轻易的刮伤损坏。此外,因为芯片的尺寸微小,如果不用一个较大尺寸的外壳,将不易以人工安置在电路板上,而这个时候封测技术就派上用场了。封测有着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封测外壳的引脚上,这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此,封测对集成电路起着重要的作用。
封测的作用
1. 保护
半导体芯片的生产车间都有非常严格的生产条件控制,恒定的温度、恒定的湿度、严格的空气尘埃颗粒度控制及严格的静电保护措施,裸露的装芯片只有在这种严格的环境控制下才不会失效。但是,我们所生活的周围环境完全不可能具备这种条件,低温可能会有-40°C、高温可能会有60°C、湿度可能达到100%,如果是汽车产品,其工作温度可能高达120^C以上。同时还会有各种外界的杂质、静电等等问题会侵扰脆弱的芯片。所以需要封测来更好的保护芯片,为芯片创造一个好的工作环境。
2. 支撑
支撑有两个作用,一是支撑芯片,将芯片固定好便于电路的连接,二是封测完成以后,形成一定的外形以支撑整个器件、使得整个器件不易损坏。
3. 连接
连接的作用是将芯片的电极和外界的电路连通。引脚用于和外界电路连通,金线则将引脚和芯片的电路连接起来。载片台用于承载芯片,环氧树脂粘合剂用于将芯片粘贴在载片台上,引脚用于支撑整个器件,而塑封体则起到固定及保护作用。
4. 散热
增强散热,是考虑到所有半导体产品在工作的时候都会产生热量,而当热量达到一定限度的时候便会影响芯片的正常工作。事实上,封装体的各种材料本身就可以带走一部分热量,当然,对于大多数发热量大的芯片,除了通过封测材料进行降温外,还需要考虑在芯片上额外安装一个金属散热片或风扇以达到更好的散热效果。
5. 可靠性
任何封装都需要形成一定的可靠性, 这是整个封装工艺中最重要的衡量指标。原始的芯片离开特定的生存环境后就会损毁,需要封装。芯片的工作寿命,主要决于对封装材料和封装工艺的选择。
封测的种类及工艺流程
目前总共有上千种独立的封测类型并且没有统一的系统来识别它们。有些以它们的设计命名(DIP,扁平型,等等),有些以其结构技术命名(塑封,CERDIP,等等),有的按照体积命名,其他的以其应用命名。芯片的封测技术已经历经好几代的变迁,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封测面积之比越来越接近,使用频率越来越高,耐温性能越来越好,以及引脚数增多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,使用更加方便等等,都是看得见的变化。
根据封装材料的不同,半导体封装可分为塑料封装、金属封装、陶瓷封装和玻璃封装。根据封装互连的不同,半导体封装可分为引线键合(适用于引脚数 3-257)、载带自动焊(适 用于引脚数 12-600)、倒装焊(适用于引脚数 6-16000)和埋入式。引线键合是用金属焊线连接 芯片电极和基板或引线框架等。载带自动焊是将芯片上的凸点与载带上的焊点焊接在一起,再对 焊接后的芯片进行密封保护的一种封装技术。倒装焊是在芯片的电极上预制凸点,再将凸点与基 板或引线框架对应的电极区相连。埋入式是将芯片嵌入基板内层中。
堆叠封装(Package on Package,PoP)属于封装外封装,是指纵向排列的逻辑和储存元器件的集成电路封装形式,它采用两个或两个以上的BGA 堆叠,一般强抗下逻辑运算位于底部,储存元器件位于上部,用焊球将两个封装结合,主要用于制造高级便携式设备和智能手机使用的先进移动通讯平台。
硅通孔技术(TSV,Through-Silicon-Via)也是一种电路互联技术,它通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通,实现芯片之间互连。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同,TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大,外形尺寸最小,并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV是2.5D和3D封装的关键技术。
系统级封装技术(System in a Package,SiP)是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与系统级芯片(System On a Chip,SoC)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而 SOC则是高度集成的芯片产品。
封装工艺流程 一般可以分为两个部分,用塑料封装之前的工艺步骤成为前段操作,在成型之后的工艺步骤成为后段操作。基本工艺流程包括:硅片减薄、硅片切割、芯片贴装、成型技术、去飞边毛刺、切筋成型、上焊锡、打码等工序,下面就具体到每一个步骤:
一、前段
1. 背面减薄(back grinding):刚出场的圆镜(wafer)进行背面减薄,达到封装需要的厚度。在背面磨片时,要在正面粘贴胶带来保护电路区域。研磨之后,去除胶带。
2. 圆镜切割(wafer Saw):将圆镜粘贴在蓝膜上,再将圆镜切割成一个个独立的Die,再对Die进行清洗。
3. 光检查:检查是否出现废品.
4. 芯片粘接(Die Attach):芯片粘接,银浆固化(防止氧化),引线焊接。
二、后段
1. 注塑:防止外部冲击,用EMC(塑封料)把产品封测起来,同时加热硬化。
2. 镭射:在产品上刻上相应的内容。例如:生产日期、批次等等。
3. 高温固化:保护IC内部结构,消除内部应力。
4. 去溢料:修剪边角。
5. 电镀:提高导电性能,增强可焊接性。
6. 切片成型和检查废品。
封装技术的发展方向
封装技术经历了由传统封装(DIP、SOP、QFP、PGA等)向先进封装(BGA、CSP、FC、WLP、TSV、3D堆叠、SIP等)演进。目前全球集成电路主流封装技术为第三代封装技术,即BGA(球栅阵列封装)、CSP(芯片级封装)、FC(倒装芯片)。其中倒装芯片封装技术被认为是推进低成本、高密度便携式电子设备制造所必需的项工艺,已广泛应用于消费类电子领城。而第四代封装技术,WLP(晶圆级封装)、TSV(硅通孔技术)、SIP(系统级封装)等仍在小规模推广中,在技术升级下它们亦将会成为未来封装方式的主流。