半导体后道制程“芯片键合（Die Bonding）”工艺技术的详解；

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作为半导体芯片制造的后道工序，芯片封装工艺包含背面研磨(Back Grinding)、划片(Dicing)、芯片键合(Die Bonding)、引线键合(Wire Bonding)及成型(Molding)等步骤。这些工艺可根据封装技术的变化进行调整、相互结合或合并。今天，我将要跟大家分享的就是：芯片键合(die bonding)工艺，采用这种封装工艺可在划片工艺之后将从晶圆上切割的芯片黏贴在封装基板（引线框架或印刷电路板）上。

当然，在想要了解芯片键合(die bonding)工艺前，我们首先要了解的应该是关于“键合(Bonding)”这个工艺方面的相关知识点。

一、键合(Bonding)工艺技术的介绍

在半导体工艺中，“键合”是指将晶圆芯片固定于基板上。键合工艺可分为传统方法和先进方法两种类型。传统方法采用芯片键合(Die Bonding)（或芯片贴装(Die Attach)）和引线键合(Wire Bonding)，芯片键合(Die Bonding)，是将芯片固定到基板（substrate）上的一道工艺。引线键合（wire bonding）则作为芯片键合的下道工序，是确保电信号传输的一个过程。

而先进方法则采用IBM公司在1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺。以95Pb5Sn凸点包围着电镀NiAu的凸球。后来制作PbSn凸点，使用可控塌焊连接(Controlled collapse Component Connection, 简称C4技术)，该技术最初为自己的大型计算机主机所开发的一种高可靠的封装技术。C4芯片具有优良的电学、热学性能，封装疲劳寿命至少提高10倍以上，倒装芯片键合技术将芯片键合与引线键合相结合，通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。

倒装（Flip Chip）芯片元件主要用于半导体设备，有些元件，如无源滤波器，探测天线，存储器装备也开始使用倒装芯片技术，由于芯片直接通过凸点直接连接基板和载体上。因此，更确切的说，倒装芯片也叫DCA(Direct Chip Attach)，下图中CPU及内存条等电子产品是最常见的应用倒装芯片技术的器件。

下图是内存条中存储芯片通过倒装技术与线路板连接，芯片与电路板中间通过填充胶固定。

在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳(1mil=25um)厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点。

下图是一张典型的倒装连接图，芯片与下方的基板采用倒装方式连接：

二、芯片键合（Die Bound）的介绍

在半导体工艺中，“键合”是指将晶圆芯片连接到基板上。连接可分为两种类型，即传统方法和先进方法。传统的方法包括晶片连接(或晶片连接)和电线连接，而先进的方法包括IBM在60年代末开发的倒装芯片连接。倒装芯片键合是一种结合了模具键合和导线键合的方法，是通过在芯片衬垫上形成凸起来连接芯片和衬底的方法。

就像发动机安装在汽车上以提供动力一样，通过将半导体芯片连接在引线框架或印刷电路板(PCB)上，将芯片线路与外部连接起来。芯片连接后，应能承受封装后产生的物理压力，并能散发芯片工作时产生的热量。必要时，它必须保持恒定的导电或实现高水平的绝缘。因此，随着芯片变得越来越小，键合方法变得越来越重要。

三、芯片键合（Die Bound）的流程

传统的芯片键合方法，首先要做的是在封装基板上涂布粘合剂，然后，在上面放一个芯片，芯片有引脚一面朝上。

作为先进封装的倒装芯片键合工艺下，芯片的引脚一面向下，引脚上的焊料球的小凸起附着在芯片的衬垫上。

在这两种方法中，组装后单元通过一个称为温度回流的隧道，该隧道可以随着时间的推移调节温度以熔化粘合剂或焊料球。然后，将其冷却以将芯片(或凸起)固定在基板上。

四、芯片键合（Die Bound）装备的构成

1、晶圆工作台

作为芯片键合装备的基础平台，晶圆工作台负责承载并精确移动晶圆，确保在键合过程中芯片能够被准确地定位到预定位置。其稳定性与精度直接影响到键合质量。

2、芯片键合头

这是实现芯片与基板物理连接的关键部件，通过热压、超声波、激光等多种方式完成芯片的放置和焊接。键合头的设计直接关系到键合强度和可靠性。

3、框架传输系统

负责芯片载体（如框架、基板）的自动传输与定位，确保高效率且无损地进行连续作业，是提高生产效率和良率的重要组成部分。

4、机器视觉系统

利用高精度相机和图像处理算法，对芯片、基板等进行定位识别和质量检测，确保键合精度和产品质量。在自动化程度极高的半导体生产线上，机器视觉系统是不可或缺的“眼睛”。

5、点胶系统

在某些封装工艺中，需要预先在基板上施加适量的黏合剂或导电胶，点胶系统的精确控制对于保证键合效果至关重要。

五、芯片取放工艺Pick&Place

单独地取出附着在胶带上的芯片被称为“Pick”。当吸嘴从晶圆片中取出芯片，再将它们放置在封装基板表面称为“Place”。这两项动作被称为“拾取和放置”"Piack&Place工艺。这个过程，也可以通过输入晶圆测试结果(Go / No Go)来对好的芯片进行分选。

六、芯片弹压

每一个完成切片过程的芯片，由弱粘性附着在胶带上。这时，要把水平放置在切丁胶带上的芯片一个接一个地捡起来就不那么容易了。这是因为即使用真空吸尘器拉起它也不容易脱落，如果强行拔出，它会对芯片造成物理损伤。

因此，“弹射”“Ejection"成为一种容易拾取芯片的方法。使用弹射器对目标芯片施加物理力，使其与其他芯片产生轻微的步长差异。将芯片从底部弹出，用真空带柱塞从上面拉起芯片。同时，用真空拉胶带的底部，使薄片平整。

七、Die Bonding工艺基础培训

以下就是本章节我要跟大家分享的主要内容，如有不对或是遗漏的地方，还希望大家批评指正：

       

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八、环氧树脂(Epoxy)实现粘合的芯片键合工艺

环氧树脂密封保护加固作用的前提是胶水已经固化，而焊点周围有锡膏中的助焊剂残留，如果底部填充胶与残留的助焊剂不兼容，导致底部填充胶无法有效固化，那么底部填充胶也就起不到相应的作用了，因此，底部填充胶与锡膏是否兼容，是底部填充胶选择与评估时需要重点关注的项目。

底部填充胶除起加固作用外，还有防止湿气、离子迁移的作用，因此绝缘电阻也是底部填充胶需考虑的一个性能。底部填充胶主要的作用就是解决BGA/CSP芯片与PCB之间的热应力、机械应力集中的问题，因此对底部填充胶而言，很重要的可靠性试验是温度循环实验和跌落可靠性实验。

使用环氧树脂进行芯片键合时，可将极少量环氧树脂精确地点在基板上。将芯片放置在基板上之后，通过回流(Reflow)或固化(Curing)，在150°C至250°C的温度条件下使环氧树脂硬化，以将芯片和基板粘合在一起。此时，若所使用环氧树脂的厚度不均匀，则会因膨胀系数差异而导致翘曲(Warpage)，从而引起弯曲或变形。

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具有价格昂贵且难以处理的缺点，但却易于掌握使用量，简化了工艺，因此使用率正在逐渐增加。

九、芯片粘合工艺

当使用环氧树脂进行模具粘合时，通过点胶将非常少量的环氧树脂精确地涂在基材上。在其上放置芯片后，环氧树脂通过回流或固化在150至250°C下硬化，以便将芯片和基材粘合在一起。

如果所涂环氧树脂的厚度不恒定，则可能由于热膨胀系数的差异而发生引起弯曲或变形的翘曲。由于这个原因，胶量的控制非常重要。但只要使用环氧树脂，任何形式的翘曲都会发生。

这就是为什么最近使用模贴膜(DAF)的更先进的粘合方法是首选的原因。虽然DAF有一些昂贵和难以处理的缺点，但它的厚度可以很好的控制，并且简化了工艺过程，因此它的使用量逐渐增加。

十、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。相比液态黏着剂，采用DAF可将厚度调整至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，而切割胶带则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，并且不得使用环氧树脂。由于在此过程中可跳过点胶工序，因此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，形成空洞从而引起薄膜变形等问题。因此，对处理DAF的设备的精度要求格外高。屹立芯创凭借过硬的技术水准，以核心技术为品质支撑，运用核心专利技术进一步保证制程稳定运行。真空压力除泡系统VPS使用多重多段真空压力切换系统，可根据材料特性分段设定压力与真空数值，配备了双增压系统和双温控保护系统，保证封装精度及良率。精准去除气泡问题的同时，亦可帮助客户大幅提升UPH、降低生产风险与成本、提高产品良率与可靠性。使用DAF膜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（引线框架或印刷电路板）不同，执行芯片键合的方向也存在很大差异。相应地，随着键合技术的日益多样化，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。随着集成技术的不断提高，封装工艺继续朝着薄型化方向发展，封装技术也变得多样化。

十一、模贴膜(DAF)粘接

DAF（Die Attach Film)是一种附着在模具底部的薄膜。使用DAF，厚度可以调整到比使用聚合物材料时更薄和恒定。它不仅广泛用于芯片与衬底的键合，还广泛用于芯片与芯片的键合，以创建多芯片封装(MCP)。

从切片芯片的结构来看，位于芯片底部的DAF是托住芯片的，而切片胶带则是牵拉其下方的DAF，附着力较弱。为了在这种结构中进行模具粘合，在一次将芯片和DAF从切丁带上取下后，应将模具放置在基板上，而不使用环氧树脂。这个过程跳过点胶程序，不仅速度更快，而且完美避开了点胶厚度不均引起的问题。

使用DAF时，一些空气可以穿透薄膜，引起薄膜变形等问题。特别是，处理DAF的设备需要高精度。然而，使用daf是首选的方法，因为它可以减少缺缺率，提高生产率，因为它简化了过程，增加了厚度的均匀性。

根据基板类型(引线框架或PCB)，进行模键合的方法变化很大。长期以来，基于pcb的基板被频繁使用，因为它可以批量生产小尺寸的封装。随键合技术的多样化，烘烤胶粘剂的温度分布也在不断发展。有代表性的粘接方法有热压缩或超声波粘接。随着封装不断向超薄类型发展，集成程度不断提高，封装技术也在多样化。

十二、写在最后面的话

随着倒装芯片级封装（FCBGA）、系统级封装（SiP）、芯片级封装（CSP）、球状引脚栅格阵列封装（BGA）等先进封装技术的广泛应用，芯片键合装备正面临着更高的技术挑战和市场需求。这些封装技术能够实现更小的封装尺寸、更高的I/O密度、更好的散热性能和更低的信号延迟，是推动半导体行业向高性能计算、5G通信、物联网、人工智能等领域发展的关键技术。

芯片键合装备及其相关技术的持续创新，是推动半导体产业向更高端、更精密方向发展的关键。面对未来智能化、低功耗、高集成度的市场需求，研发更高效率、更低成本、更环保的键合装备和技术，将成为行业内的共同目标。随着人工智能、大数据等技术的融合应用，未来的芯片键合装备将更加智能化，进一步提升半导体制造的整体水平和竞争力。

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参考文献：

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2https://www.toutiao.com/c/user/token/MS4wLjABAAAAUkmyCsEUiJ_5o06AvWcYLW7ycSONRcGHhNAp5cf48gD1xyRQcnphp2kzUC9nfHCB/?source=list&log_from=8856cfa9eb098_1725506099027 爱在七夕时的头条主页 - 今日头条

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