芯片封装全流程了解

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#单片机 #嵌入式硬件

于 2024-12-20 14:53:28 首次发布

作为电子工程师，我们每天都在接触各种不同封装的芯片，这里收集了一篇介绍芯片封装的科普文章，可以帮助对芯片的封装过程有一些了解，这样可以给我们在分析电路问题的时候带来一些帮助，思路上可以打开一些。

一、芯片封装目的
半导体芯片封装主要基于以下四个目的：防护、支撑、连接、可靠性

（1）防护：裸露的装芯片只有在这种严格的环境控制下才不会失效，如恒定的温度（23±3℃）、恒定的湿度（50±10%）、严格的空气尘埃颗粒度控制（一般介于 1K 到 10K）及严格的静电保护措施，但是，实际生活中很难达到这种要求，如工作温度可能低至-40℃、高至60℃、湿度也可能达到100%，为了要保护芯片，所以我们需要封装。
（2）支撑：一是支撑芯片，将芯片固定好便于电路的连接，二是支撑封装完成后的器件，使得整个器件不易损坏。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。
（3）连接：将芯片的pad和外界的电路连通。如上图所示，引脚用于和外界电路连通，金线则用于引脚和芯片的电路连接。
（4）可靠性：其实和防护有点关系，但主要是考虑一些机械压力，温度，湿度，化学腐蚀等损害，封装材料等选择会直接影响到芯片的期的可靠性，因此芯片的工作寿命，主要决于对封装材料和封装工艺的选择。

二、芯片封装技术的发展趋势
引脚数量变多，从而集成度更高，可以容纳更多芯片
封装尺寸变小、厚度变薄
芯片制造与封装工艺逐渐结合
焊盘大小、节距变得越来越小
成本越来越低且绿色环保
以下就是芯片封装技术的发展趋势:

（1）插装时代：最早期的封装形式为引线封装，包括DIP（双列直插封装）等，这时候主要解决的问题是封装内部的绝缘以及良好的热传导性能。因此，多数封装使用了塑料、陶瓷或金属等材料，以提供一定程度的物理和环境保护。然而，由于引线封装尺寸较大，因此集成度较低。
（2）表贴时代：也就是表面贴装技术（Surface Mount Technology），主要的封装形式包括SOP（小尺寸封装），QFP（四角扁平封装）等，与早期的通孔插装技术相比，表贴时代的封装技术显著提高了封装密度，使得更多的电子元件能够集成在更小的空间内，推动了封装技术朝着更小型更高集成度的方向发展。
（3）面阵列时代：指的是20世纪90年代以后的封装技术发展阶段，主要的封装形式包括BGA（球栅阵列封装），QFN（无引脚封装），CSP（Chip Scale Package）等，这种封装技术显著提高了封装密度和I/O引脚数量，满足了高性能芯片对封装技术的需求，并且提供了更短的信号传输路径和更好的电气性能，满足了高速、高频、高性能芯片对封装技术的要求。
（4）基板+堆叠封装时代：是指在不改变封装体的尺寸的前提下，如2.5D TSV技术，是半导体封装技术发展的一个重要阶段，它起源于快闪存储器（NOR/NAND）及 SDRAM 的叠层封装。为了增大单个器件的存储容量，通常的做法就是减小芯片的线宽、采用集成度更高的工艺。不过，减小线宽会使晶圆带来生产成本的上升，技术难度也会相应加大。然而，采用叠层芯片封装技术，在一个封装体内放入两个芯片就可以将单个器件的容量提高一倍，同样可以将单个器件的容量成倍提升，但是生产成本的上升、工艺难度都比前者低，这一技术结合了基板技术和堆叠封装技术的优势，进一步提高了封装密度、性能和可靠性。
（5）扇出封装时代：通过在晶圆级别进行封装，并在封装过程中将芯片的I/O互连点布置在芯片面积区域以外的空隙中，从而实现了更高的封装密度和更多的I/O引脚数量。
三、以SOP封装技术作为封装工艺流程介绍
芯片封装工艺分为两段，分别叫前道（Front-of-line，FOL）和后道（End-of-line，EOL），前道（FOL）主要是将芯片和引线框架（Leadframe）或基板（Substrate）连接起来，即完成封装体内部组装。后道（EOL）主要是完成封装并且形成指定的外形尺寸，及封装成型。
前道生产工艺

下面，用示意图来简单介绍主要的加工工艺：
1. 晶圆（wafer）
封装厂接收到一个从晶圆厂(Wafer Fab)出来的晶圆，上面布满了矩形的芯片，有切割槽的痕迹。

2. 磨片(Backgrinding)
晶圆出厂时，其厚度通常都在 0.7mm 左右，比封装时的需要的厚度大很多，所以需要磨片。下图就是磨片工艺示意图，晶圆被固定在高速旋转的真空吸盘工作台上，高速旋转的砂轮从背面将晶圆磨薄，将晶圆磨到指定的厚度。

3. 装片（Wafer Mount）
下图展示了如何将晶圆粘贴到粘性蓝膜上。首先将晶圆正面朝下固定在工作台的真空吸盘上，然后铺上不锈刚晶圆固定铁环（Wafer Ring），再在铁环上盖上粘性蓝膜(Blue Tape)，最后施加压力，把蓝膜、晶圆和铁环粘合在一起。中央的晶圆被固定在蓝膜上，蓝膜被固定在不锈钢铁环上，以便后续工序加工。

4. 划片（Die Sawing）
高速旋转的金刚石刀片在切割槽中来回移动，将芯片分离。下图是完成切割的晶圆，芯片被沿着切割槽切开。

5．贴片（Die Attach）
第一步：顶针从蓝膜下面将芯片往上顶、同时真空吸嘴将芯片往上吸，将芯片与膜蓝脱离。

第二步：将液态环氧树脂涂到引线框架的台载片台上

第三步：将芯片粘贴到涂好环氧树脂的引线框架上

6. 引线键合（Wire Bonding）
是用金线将引线框架的引脚和芯片的焊盘连接起来，上图是截面图，下图俯视图

后段生产工艺

1. 塑封(Molding)
塑封是用环氧树脂将芯片及用于承载芯片的引线框架一起封装起来，保护芯片，并形成一定等级的的可靠性。具体模具分成上下模，模具上有根据封装体尺寸所预先定好的模腔，其工作温度在通常在 165-185℃范围内。将需要封装的引线框架放置到模具上，然后放入固体环氧树脂饼料，再合上模具并施加合模压力（至少在 30 吨以上）。合模后，给注塑杆上施加压力，环氧树脂在高度高压下开始液化然后在被挤入腔中后，它将再次固化，形成我们所需要的外形尺寸。上图是塑封过程，下图是塑封后的俯视图和截面图