半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为:来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片(Die),然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板(引线框架)架的小岛上,再利用超细的金属(金锡铜铝)导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘(Bond Pad)连接到基板的相应引脚(Lead),并构成所要求的电路;然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护,塑封之后还要进行一系列操作,封装完成后进行成品测试,通常经过入检Incoming、测试Test和包装Packing等工序,入库出货。
一、晶圆(Wafer)测试
在上游晶圆制造完成后,会进行晶圆测试(CP/Chip Probing), 因为芯片在晶圆上不像已经封装好的成品已经有引脚连接,所以要使用探针卡来把晶圆测试点和测试机台来实现电气连接来进行测试。CP通常有点测(一张晶圆上的芯片只测试一部分)和全测(所以芯片100%全测)。市面上也有一些低端应用的成熟产品为了追求低成本,不做CP, 进行盲封,例如深圳某强北少部分论斤卖的器件,不测,省成本,客户生成发现不良品直接给客户换。
测试过后的晶圆,通常会做标记区分,封装厂会挑选其中的良品来做切割封装。
二、芯片(DIE)封装
芯片能够与其他电子元件进行连接,以实现信息的输入输出。封装经历硅片减薄、硅片切割、芯片贴装、芯片互连、成型、去飞边毛刺、切筋打弯、上焊锡、打码等多道工艺流程。其主要功能包括保护芯片、增强热稳定性、提供机械支撑、确保电气连接等。
封装技术大致可分为传统封装和先进封装两类。传统封装主要是用引线框架承载芯片的封装形式,而先进封装引脚以面阵列引出,承载芯片大都采用高性能多层基板。随着先进制程工艺逐渐逼近物理极限,14nm,7nm,5nm,3nm, 当研发“如何把芯片变得更小”变得越来越困难的当今,同时研究“如何把芯片封得更小”,通过系统整体占用空间变小来提高集成度和优化电路高速性能也可行的另一个选择方向,所以先进封装技术在近些年得到快速发展。
三、 传统半导体封装工艺流程
1、晶圆(Wafer)切割(Wafer cutting)
晶圆切割也叫“划片”,它是半导体功率器件制造中的非常重要的一环,切割方式和切割质量直接影响到晶圆的厚度、粗糙度、尺寸及生产成本,更会对功率器件制造产生巨大影响。
碳化硅作为第三代半导体材料,其高质量的结晶碳化硅的生产成本非常高,大家都希望将一个大的碳化硅晶锭切成尽可能多的薄碳化硅晶圆衬底,同时晶圆尺寸这几年不断加大(目前主流量产已经到8寸晶圆,下一步就是12寸晶圆),这些都对切割工艺的要求提出了更高的标准。但是碳化硅材料的硬度TOP,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上硬的钻石(10级),同时又兼具晶体的脆性,非常不易切割。因其材料的特殊性和稀有性,价格非常昂贵,目前一片8寸的碳化硅晶圆片,动则几万元/片,一旦切割报废,工厂损失巨大。
在这一步中,完成电路制造的晶圆被切割成单个芯片。切割过程需要准确,以避免损伤芯片。
2、芯片(DIE)焊粒(Die Bonding)
将切割下来的芯片粘贴到封装基板上。这一步通常使用导电胶或焊料来实现电气和机械连接。
3、引线键合(Wire Bonding)
使用极细的金属线(通常是金线或铜线)将芯片上的焊盘与封装基板上的引脚相连。这一步需要对准和控制,以确保电气连接的可靠性。
4、封装成型(Molding)
通过将封装材料(如塑料或环氧树脂)注入模具并固化,形成保护芯片的外壳。这个过程也称为“塑封”。
5、后固化
塑封后,封装体需要经过后固化处理,以确保封装材料的物理和化学性能稳定。提高材料的交联密度;缓释制造应力。
6、去飞边和毛刺
去除封装过程中塑封料树脂溢出,贴带毛边,引线毛刺,等飞边毛刺,确保封装体的整洁和电气性能。
7、电镀
利用金属和化学的方法,在框架表面镀上一层镀层,以防止外界环境的影响(潮湿和热),并使元器件在PCB板上容易焊接及提高导电性。
8、切筋成型
将封装后的芯片分离成单独的单元,并根据需要对引脚进行弯曲,以适应不同的应用需求。
9、测试(Final Test)
对封装后的芯片进行性能测试,确保其符合规格要求。
10、包装
将测试合格的芯片进行包装,以便于运输和存储。
这些步骤构成了传统半导体封装的基本流程。随着技术的发展,一些新的封装技术如晶圆级封装(WLP)、倒装芯片(FC),CoWos, 等也在逐渐取代或与传统封装技术并存。
总结一下
到目前为止,我们了解到的半导体诞生的8大工艺,从切割硅锭的圆盘形晶片变成尺寸比指甲还小的半导体,经过了复杂细致的过程,用于我们的日常生活中。期待无处不在的半导体不断发展,让我们的生活更加丰富多彩!