芯片键合技术：连接未来的桥梁

作为半导体制造的后段工序，封装工艺涵盖背面研磨(Back Grinding)、划片(Dicing)、芯片键合(Die Bonding)、引线键合(Wire Bonding)以及成型(Molding)等步骤。这些工艺的顺序能够依据封装技术的改变而调整、相互组合或者合并。在上一期内容里，我们介绍了将晶圆切割成单个芯片的划片工艺。今天，我们要介绍的是芯片键合(die bonding)工艺，采用这种封装工艺，能在划片工艺之后把从晶圆上切割下来的芯片粘贴到封装基板（引线框架或者印刷电路板）上。

在半导体工艺中，“键合”意味着把晶圆芯片固定在基板上。键合工艺可分为传统方法和先进方法两类。传统方法采用芯片键合(Die Bonding)（或者芯片贴装(Die Attach)）和引线键合(Wire Bonding)，而先进方法则运用IBM在60年代后期开发的倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)技术。倒装芯片键合技术把芯片键合与引线键合相结合，通过在芯片焊盘上形成凸块(Bump)的方式连接芯片和基板。

就如同发动机为汽车提供动力一样，芯片键合技术通过把半导体芯片附着到引线框架(Lead Frame)或者印刷电路板(PCB, Printed Circuit Board)上，来达成芯片与外界的电连接。完成芯片键合后，要确保芯片能够承受封装后产生的物理压力，并且能够散发芯片工作期间产生的热量。必要时，必须保持恒定的导电性或者实现高水平的绝缘性。所以，随着芯片尺寸不断变小，键合技术变得愈发重要。

芯片键合步骤芯片键合与倒装芯片键合之间的比较

在芯片键合过程中，首先要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。与之相反，倒装芯片键合是一种更为先进的技术，首先把被称为“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。在这两种方法里，组装好的单元都会经过一个被称为温度回流(Temperature Reflow)的通道，这个通道能随着时间调节温度，使粘合剂或者焊球熔化。然后，在冷却之后将芯片（或者凸块）固定到基板上。

芯片拾取与放置(Pick & Place). 芯片拾取和放置

逐个移除附着在切割胶带上数百个芯片的过程被称为“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被称为“放置”。这两项任务合起来被称为“拾取与放置”，都在固晶机1上完成。在完成对所有合格芯片的芯片键合之后，未被移除的不合格芯片会留在切割胶带上，并且在框架回收时被全部丢弃。在这个过程中，会通过在映射表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。

芯片顶出(Ejection)工艺芯片顶出工艺：在三个方向施加力时的放大图

完成划片工艺之后，芯片会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，就会对芯片造成物理损坏。

为此，可以采用“顶出(Ejection)工艺”，通过顶出装置对目标芯片施加物理力，让它与其他芯片形成轻微步差，从而轻松拾取芯片。在顶出芯片底部之后，可以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，以便让晶圆保持平整。 3顶出装置(Ejector)：用于从切割胶带下方顶起芯片的顶针。

1.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，可以使用由金或银（或者镍）制成的合金，特别是对于大型密封封装。也可以通过使用焊料或者含有金属的糊剂(Power Tr)进行连接，或者使用聚合物 - 聚酰亚胺(Polymer, Polyimide)进行芯片键合。在高分子材料中，含银糊状或者液体型环氧树脂(Epoxy)相对容易使用，使用频率也较高。

使用环氧树脂进行芯片键合时，可以将极少量环氧树脂精确地点在基板上。把芯片放置在基板上之后，通过回流(Reflow)或者固化(Curing)，在150°C到250°C的温度条件下使环氧树脂硬化，从而将芯片和基板粘合在一起。此时，如果所使用环氧树脂的厚度不恒定，就会因膨胀系数差异而导致翘曲(Warpage)，进而引起弯曲或者变形。所以，尽管使用少量环氧树脂比较有利，但只要使用环氧树脂就会出现不同形式的翘曲。

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存在价格昂贵且难以处理的缺点，但它易于掌握使用量，简化了工艺，所以使用率正在逐渐增加。

芯片键合使用晶片黏结薄膜(DAF)的芯片键合工艺 / 图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。▶请参考：切割，将晶圆分割成多个半导体芯片。与高分子材料相比，采用DAF能够将厚度调整到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。

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，并且不能使用环氧树脂。由于在此过程中可以跳过点胶工序，所以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。所以，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（引线框架或者印刷电路板）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的基板就因为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。随着集成技术不断提高，封装工艺朝着超薄方向继续发展，封装技术也变得多样化。

芯片键合技术在不同的基板类型下有着不同的发展方向。对于基于PCB的基板，其在小尺寸批量生产封装方面的应用历史悠久且广泛。而随着技术的进步，键合技术的多样化发展也促使烘干粘合剂的温度曲线不断改变。加热粘接和超声波粘接等键合方法就是这种多样化发展的代表。

在整个封装工艺的发展进程中，随着集成技术的不断提高，封装朝着超薄方向发展，这使得封装技术也变得更加多样化。芯片键合工艺无论是传统的使用环氧树脂等材料的方法，还是新兴的使用晶片黏结薄膜的方法，都在不断发展和优化，以适应半导体芯片尺寸不断变小、封装要求不断提高的趋势。从芯片键合的步骤到与倒装芯片键合的比较，从不同材料的使用到不同基板类型下的操作差异，每一个环节都体现了这一工艺在半导体制造后段工序中的重要性以及其不断发展的必要性。