文章來源：Semika

原文作者：Semika

本文介紹了半導體工藝及設備中的封裝工藝和設備。

晶圓大多是非常脆的硅基材料，直接拿取是非常容易脆斷的，所以必須封裝起來，并且把線路與外部設備連接，才能出廠。本文詳述芯片的封裝工藝和相關的設備。

封裝聽起來似乎就是包裝，好像比較簡單。封裝與蝕刻和沉積相比，在一定程度上是要簡單一點，但封裝同樣是一個高科技的行業。

封裝技術的發展

芯片封裝被分傳統封裝和先進封裝。

傳統封裝的目的是將切割好的芯片進行固定、引線和封閉保護。但隨著半導體技術的快速發展，芯片厚度減小、尺寸增大，及其對封裝集成敏感度的提高，基板線寬距和厚度的減小，互聯高度和中心距的減小，引腳中心距的減小，封裝體結構的復雜度和集成度提高，以及最終封裝體的小型化發展、功能的提升和系統化程度的提高。越來越多超越傳統封裝理念的先進封裝技術被提出。先進封裝(Advanced Packaging)是本文討論的重點。

我們先了解一下傳統封裝，這有利于更好地理解先進封裝。傳統封裝技術發展又可細分為三階段。

階段一（1980 以前）：通孔插裝（Through Hole，TH）時代

其特點是插孔安裝到 PCB 上，引腳數小于 64，節距固定，最大安裝密度 10 引腳/cm2，以金屬圓形封裝（TO）和雙列直插封裝（DIP）為代表；

階段二（1980-1990）：表面貼裝（Surface Mount，SMT）時代

其特點是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節距 1.27-0.44mm，適合 3-300 條引線，安裝密度 10-50 引腳/cm2，以小外形封裝（SOP）和四邊引腳扁平封裝（QFP）為代表；

階段三（1990-2000）：面積陣列封裝時代

在單一芯片工藝上，以焊球陣列封裝（BGA）和芯片尺寸封裝（CSP）為代表，采用“焊球”代替“引腳”，且芯片與系統之間連接距離大大縮短。在模式演變上，以多芯片組件（MCM）為代表，實現將多芯片在高密度多層互聯基板上，用表面貼裝技術組裝成多樣電子組件、子系統。

自20世紀90年代中期開始，基于系統產品不斷多功能化的需求，同時也由于芯片尺寸封裝（CSP）封裝、積層式多層基板技術的引進，集成電路封測產業邁入三維疊層封裝（3D）時代。這個發展階段，先進封裝應運而生。

先進封裝具體特征表現為：

（1）封裝元件概念演變為封裝系統；

（2）單芯片向多芯片發展；

（3）平面封裝（MCM）向立體封裝（3D）發展；

（4）倒裝連接、TSV硅通孔連接成為主要鍵合方式。

先進封裝優勢

先進封裝提高加工效率，提高設計效率，減少設計成本。先進封裝工藝技術主要包括倒裝類（FlipChip,Bumping），晶圓級封裝（WLCSP，FOWLP，PLP），2.5D封裝（Interposer）和3D封裝（TSV）等。以晶圓級封裝為例，產品生產以圓片形式批量生產，可以利用現有的晶圓制備設備，封裝設計可以與芯片設計一次進行。這將縮短設計和生產周期，降低成本。

先進封裝以更高效率、更低成本、更好性能為驅動。先進封裝技術上通過以點帶線的方式實現電氣互聯，實現更高密度的集成，大大減小了對面積的浪費。

SiP技術及PoP技術奠定了先進封裝時代的開局，如Flip-Chip（倒裝芯片）， WaferLevelPackaging（WLP，晶圓級封裝），2.5D封裝以及3D封裝技術，ThroughSiliconVia（硅通孔，TSV）等技術的出現進一步縮小芯片間的連接距離，提高元器件的反應速度，未來將繼續推進著先進封裝的進步。

所有這些先進封裝技術，被集中起來發展成為了3D封裝。3D封裝會綜合使用倒裝、晶圓級封裝以及 POP/Sip/TSV 等立體式封裝技術，其發展共劃分為三個階段：

第一階段：采用引線和倒裝芯片鍵合技術堆疊芯片；

第二階段：采用封裝體堆疊（POP）；

第三階段：采用硅通孔技術實現芯片堆疊。

3D封裝可以通過兩種方式實現：封裝內的裸片堆疊和封裝堆疊。封裝堆疊又可分為封裝內的封裝堆疊和封裝間的封裝堆疊。

最后，我們列舉一下這些主要的先進封裝技術：

★ 倒裝（FC-FlipChip）

★ 晶圓級封裝（WLP-Wafer level package）

★ 2.5D封裝

★ (POP/Sip/TSV)等3D立體式封裝技術

★ 3D封裝技術

封裝的級別

電子封裝的工程被分成六個級別：

層次1（裸芯片）

它是特指半導體集成電路元件（IC芯片）的封裝，芯片由半導體廠商生產，分為兩類，一類是系列標準芯片，另一類是針對系統用戶特殊要求的專用芯片，即未加封裝的裸芯片（電極的制作、引線的連接等均在硅片之上完成）。

層次2（封裝后的芯片即集成塊）

分為單芯片封裝和多芯片封裝兩大類。前者是對單個裸芯片進行封裝，后者是將多個裸芯片裝載在多層基板（陶瓷或有機材料）上進行氣密閉封裝構成MCM。

層次3（板或卡）

它是指構成板或卡的裝配工序。將多個完成層次2的單芯片封裝在PCB板等多層基板上，基板周邊設有插接端子，用于與母板及其它板或卡的電氣連接。

層次4（單元組件）

將多個完成層次3的板或卡，通過其上的插接端子搭載在稱為母板的大型PCB板上，構成單元組件。

層次5（框架件）

它是將多個單元構成（框）架，單元與單元之間用布線或電纜相連接。

層次6（總裝、整機或系統）

它是將多個架并排，架與架之間由布線或電纜相連接，由此構成大型電子設備或電子系統。

先進封裝的主要設備

了解了封裝的工藝，再來看看有哪些實際的操作要做，所需的設備就明確了。這里按工藝步驟列舉一些：

裸片堆疊。需要晶圓級疊片機。這是一個對可靠性要求極高的設備，因為線路完成后的晶圓很昂貴，而且非常易碎，更重要的對疊片的精度要求更高。目前還沒有國產量產的設備。

晶圓切割。將Wafer切割成單個芯片。常見有切割機（Saw鋸切）、劃片機、激光切割機等。

芯片堆疊。這個設備的難度在于精度和速度。目前國內有多家廠商在研發這類設備，主要還是速度（產能）方面的差距。

封裝級光刻蝕刻。這是光刻技術練兵的場所，這里的光刻精度是微米級的，精度高一點的也達到了0.1微米。

貼片（把芯片放在基板上）。這一過程需要用到點膠機，貼片機/固晶機/鍵合機等主要設備，還要用到印刷機，植球機，回熔焊，固化設備，壓合設備，清洗設備等。

引線鍵合。主要有Wire bound和Die Bound兩類設備。

置散熱片、散熱膠、外殼。這一過程也要用到點膠，灌膠，植片機/固晶機/貼片機，壓壓合設備，清洗設備等主要設備。

檢驗。包括檢驗、測試和分選。

封裝所涉及設備比較多，在此先列舉這么多。以下流程圖可供參考

下面我們針對其中部分常見設備，介紹其原理和結構。

1、清洗機

這些設備中，清洗機聽起來相對簡單，但清洗機也絕對不是那么的簡單。

清洗的優劣，決定著產品的良率，性能及可靠性。有時更決定著工藝過程的成敗。

接觸芯片的零件的清洗，對塵埃、油污的要求，都是絕對嚴苛的，有的還要對零件表面的揮發氣體進行測量，對表面對不同物質的親合性進行測量。而要達到這些要求，對清洗工藝的要求也往往非常復雜。一條清洗線也動輒十幾道 ，幾十道工藝過程，對零件進行物理的、化學的、生物級別的清洗與干燥。

2、涂膠設備

封裝階段的膠水，作用一是把IC的不同部分粘結起來，作用二是把IC各個部分之間的間隙填充起來，作用三是把IC包裹保護起來。這也就基本形成了三個類別，一是點膠，二是填充，三是塑封（Moding）。

這些工藝過程，聽起來比較簡單，很容易理解。事實也確實如此。只是對膠量的控制，均勻性有很高的要求。膠水的壓力，出膠口的形狀，溫度，運動的平穩性，設備的振動，空氣流動等，每一個環節都要精確控制。

涂膠的工藝的特性主要的還是決定于膠水的特性。在這里我們只談設備，不談耗材。

3、刻蝕光刻機

我們常聽說的那些高大尚的光刻機，是指晶圓級別上用來刻蝕芯片電路的。封裝過程也要用到光刻機，需要制作用于定位和精確定位芯片的封裝模板。光刻機可以用于制作這些封裝模板的微米級圖案。光刻機通過曝光光刻膠和進行顯影的過程，將圖案精確地轉移到封裝模板上。封裝過程所用光刻機線寬要求比較低，一般500nm的都能用了。

4、芯片鍵合機

芯片鍵合機，是把芯片與基板連接在一起的設備，有兩種主要的方式，Wire Bond和Die Bond。Wire Bond設備通常被稱作綁線機，綁線機是用金屬引線把IC上的引腳與基板（Substrate）的引腳進行連接的設備。這個工藝中使用的金屬細線通常只有幾十微米，一根一根把金屬絲熔融在引腳上。這個過程在引腳多的芯片上就很耗時。

Die Bond設備有時被稱作貼片機或固晶機機。Die Bond是近些年才發展起來的技術，是通過金屬球陣列來進行連接，就是常說的BGA技術（Ball Grid Array）。Die Bond的連接方式效率更高，一次性可以連接所有引腳，所以生產數百數千引腳的芯片也很方便。還有就是Die Bond封裝更加緊湊，所以Die Bond是未來芯片鍵合的主要方式。

5、貼片機

貼片機是一種高度復雜且精密的機器，其工作原理可以追溯到微電子組件制造的核心。這些機器使用先進的視覺系統，如光學傳感器和高分辨率攝像頭，以檢測和定位微小的電子元件。這種視覺系統能夠在納米級別準確度下進行操作，確保元件的精確定位。

貼片通常是指表面貼裝技術，是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件（簡稱SMC/SMD，中文稱片狀元器件）安裝在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其它基板的表面上，通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。

除此之外，貼片還指應用于裸芯片（Die）的貼裝技術，是指將晶圓片上沒有封裝或保護層的晶片（裸芯片）貼裝到基板上的過程。這些芯片通常由硅等材料制成，并通過刻蝕、沉積、光刻等工藝加工而成。

裸芯片貼裝是一種高精度、高技術含量的制造過程，在貼片過程中，由于裸芯片缺乏封裝保護，對裸芯片的測試和組裝要求更高，需要專門的貼片機設備和技術來確保其可靠性和穩定性。裸芯片貼裝技術常用于高性能計算、光通信、存儲和其他應用領域，其中需要更高的處理能力和集成度。