一文看懂芯片的封装工艺（先进封装篇1：倒装）

  上期我们提到，芯片封装发展的第三阶段（1990年代），代表类型是BGA（球形阵列）封装。早期的BGA封装，是WB（Wire Bonding，引线） BGA，属于传统封装。

  后来，芯片的体积越来越小，而单颗芯片内的焊盘数量慢慢的变多（接近或超过1000个）。传统的引线封装，已经没办法满足要求。

  所谓“倒装”，就是在晶粒上创造一些由焊料制成的“凸点”或“球”。然后，把晶粒反转过来，让凸点对准基板上的焊盘，直接扣在基板上。

  以FC BGA为例。前面减薄、切割、清洗、光检，和WB BGA（传统封装）差不多。

  倒装封装包括热超声、回流焊和热压三种工艺，其凸点分别使用金球、锡球和铜柱。

  热超声，是在超声和温度的共同作用下, 将金凸点“粘”在基板的焊盘上。这种方式，适用于I/O密度较小的芯片。

  回流焊，是在锡凸点表面涂覆助焊剂，再通过热回流加热，进行焊接。这种方式也适合I/O密度较小（凸点间距40-50μm）的芯片。

  热压（Thermal Compression Bonding，TCB），采用高深宽比、小尺寸的铜柱凸点，直接加热粘结。这种方式可以在一定程度上完成高密度互联，适用于I/O密度较大（凸点间距40-10μm）的芯片。

  金凸点的成本高。相比之下，铜柱凸点的电性能、散热性能比较好，制备难度均衡，成本也比较低，所以用得比较多。

  制作凸点的流程很复杂。其实说白了，就是前面晶圆制造时的那套工艺，例如沉积、光刻、刻蚀等。

  沉积包括UBM（Under Bump Metallization，凸点下金属化层）的沉积和凸点本身的沉积。UBM位于凸点与芯片焊盘（金属垫，Al pad铝垫层）之间，起到增强凸点附着力、提高电导率和热导率的作用。

  凸点本身的沉积，一般会用电镀、印刷、蒸镀、植球的方式实现（前两者很常见）。

  大致的流程，看下面的示例图应该能懂（不懂的话，可以回顾晶圆制造那一期的内容）：

  简单来说，就是使用精密的贴装设备，将晶粒上的凸点与基板上的焊盘进行精确对准，然后通过回流焊等工艺，实现凸点与焊盘的连接。

  先将晶粒（芯片）的凸点沾上助焊剂，或者在基板上加定量的助焊剂。助焊剂的作用，是去除金属表面氧化物并促进焊料流动。

  接下来，将晶粒和基板整体加热（回流焊），实现凸点和焊盘之间的良好浸润结合（温度和时长需要严控）。

  凸点数量较多、间距较小时，回流焊轻易造成出现翘曲和精度问题。于是，这样一个时间段就可以用热压（TCB）工艺。

  前文提到，热压（TCB）工艺很适合更多凸点、更小凸点间距的芯片。它利用高精度相机完成芯片间的对准，并经过控制热压头的压力与位移接触基座，施加压力并加热，实现连接。（后续我们讲混合键合，会再提到热压。）

  连接之后，大家会注意到，晶粒和基板之间的区域是空心结构。（芯片底部的焊球分布区，也叫C4区域，Controlled Collapse Chip Connection，“可控塌陷芯片连接”。）

  为了避免后续出现偏移、冷焊、桥接短路等质量上的问题，需要对空心部分进行填充。

  填充和传统封装的塑封有点像，使用的是填充胶（Underfill）。不仅仅可以固定晶粒，防止移动或脱落，还能够吸收热应力和机械应力，提高封装的可靠性。

  一般来说，倒装封装都是以毛细填充为主。方法最简单：清洗助焊剂之后，沿着芯片边缘，注入底部填充胶。底部填充胶借助毛细作用，会被吸入芯片和基板的空隙内，完成填充。

  填充之后，还要进行固化。固化的温度和时间，取决于填充胶的种类和封装要求。

  凸点（bump）的制作的完整过程与晶圆制造（前道）过程非常相似，本身又介于晶圆制造（前道）和封装测试（后道）之间。所以，也被称作“中道”工序。

  从球栅阵列焊球（BGA Ball）到倒装凸点（FC Bump），再到微凸点（μBump），凸点的尺寸在不断缩小，技术难度也在不断升级。

  后续小枣君要提到的芯片堆叠、还有立体封装（2.5D/3D），很多都是以凸点工艺为基础。它的重要性不言而喻，请大家必须要注意。

  这种将晶圆和晶圆、晶圆和基板“粘贴”在一起的做法，有一个专门的名字，就是键合。

  载带自动键合（Tape Automated Bonding，TAB），是一种将芯片组装到柔性载带上的芯片封装键合技术。

  载带自动键合与引线键合非常类似，主要不同之处在于引线键合中，芯片的载体是引线框架或者PCB基板。而载带自动键合，用的是柔性载带。

  1、制作载带：载带其实就是铜箔材料。将铜箔贴合在聚酰亚胺胶带上，经过光刻和蚀刻，形成固定的、精细的导电图形，并制作定位孔和引线窗口，就变成了载带。

  2、内引线键合（ILB，Inner Lead Bonding）：将预先形成焊点的芯片精确定位后，采用热压或热超声方式同时将所有内引线与芯片焊盘连接。

  4、外引线键合（OLB，Outer Lead Bonding）：将载带与基板或PCB对准，一般会用热压方式实现批量键合。

  相比于引线键合，载带自动键合适合高密度、细间距的封装要求，具有不错的电气性能和散热性能，适合LCD驱动器等高密度引线连接场合。

  在传统、低成本应用中，载带自动键合凭借工艺简单、技术成熟的特点，仍有一定优势。但现在都是更高性能、更高密度封装时代，载带自动键合在应用和普及上，肯定还是不如倒装键合。

  混合键合、临时键合，这两个概念很重要。后续讲到立体封装时，小枣君会详细介绍。

  CSP是BGA之后开始崛起的。根本原因，主要是因为数码产品小型化、便携化，对芯片体积提出了要求。

  CSP封装，锡球间隔及直径更小，芯片面积与封装面积之比超过 1:1.14，已经相当接近 1:1 的理想情况，约为普通BGA封装的1/3。

  通常来说，FC CSP较多应用于移动电子设备（例如手机）的AP、基带芯片。而FC BGA，较多应用于PC、服务器的CPU、GPU等高性能芯片。