芯片封測：從集成電路到獨(dú)立成熟產(chǎn)品的關(guān)鍵工序

一、芯片封測流程概述

芯片封測是將芯片進(jìn)行封裝并測試的過程，這一環(huán)節(jié)在芯片生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈里占據(jù)著非常重要的地位。芯片實(shí)際上是集成電路的載體，是集成電路經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造等步驟后的待完善產(chǎn)物。封測就是讓芯片能夠適應(yīng)外界環(huán)境并正常工作的關(guān)鍵工序。

• 封測的重要性：

• 保護(hù)芯片：芯片在生產(chǎn)車間有著嚴(yán)格的環(huán)境條件把控，如恒定的溫濕度、嚴(yán)格的空氣塵埃顆粒度控制和靜電防護(hù)措施。然而，芯片正常工作的外界環(huán)境如溫度范圍可達(dá) -40°C - 60°C、濕度可能達(dá)到100%，并且存在灰塵、靜電等干擾因素。因此，封測就是為了更好地在這種惡劣環(huán)境下保護(hù)芯片 。

• 支撐芯片：支撐作用有兩方面。一方面是為了穩(wěn)固芯片，使其便于電路連接；另一方面是在封測結(jié)束后，能夠讓整個(gè)器件形成一定的外形，從而防止器件容易損壞 。

• 實(shí)現(xiàn)連接：芯片封測能夠把芯片的電極和外界電路進(jìn)行連通，像載片臺(tái)承載芯片、環(huán)氧樹脂粘合劑粘貼芯片、引腳支撐器件以及塑封體固定和保護(hù)器件等都是為了實(shí)現(xiàn)這一連接作用而存在的機(jī)制 。

• 輔助散熱：半導(dǎo)體芯片工作會(huì)產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量達(dá)到一定程度就會(huì)影響芯片功能。封裝體的各種材料有一定的散熱作用，對于發(fā)熱量較大的芯片，還可以通過特定封測材料或者額外安裝散熱芯片來降溫 。

• 確保可靠性：在封裝工藝?yán)铮煽啃允且粋€(gè)非常關(guān)鍵的衡量指標(biāo)，因?yàn)樾酒坏╇x開特定的理想化生產(chǎn)環(huán)境就容易損毀，所以必須在封測環(huán)節(jié)保障其可靠性 。

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二、芯片封測的主要步驟

（一）前段工序

• 晶圓減薄（wafer grinding）：剛生產(chǎn)出的晶圓（wafer）需要對其背面進(jìn)行減薄操作，使厚度達(dá)到封裝要求。在背面磨片過程中，要在正面粘貼膠帶來保護(hù)電路區(qū)域，等到研磨完畢后，再把膠帶去除 。

• 晶圓切割（wafer Saw）：把晶圓粘貼到藍(lán)膜上，接下來將晶圓切割成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的芯片個(gè)體，即Dice，然后對這些Dice進(jìn)行清洗操作，從而讓芯片進(jìn)入下一步流程的時(shí)候處于潔凈狀態(tài) 。

• 光檢查：在切割后的芯片個(gè)體上進(jìn)行光檢查環(huán)節(jié)，主要目的是篩查出在晶圓切割等前期工序中是否出現(xiàn)了殘次品，確保后續(xù)進(jìn)行封測的芯片基本是合格產(chǎn)品 []。

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• 芯片貼裝（Die Attach）：這個(gè)階段包含芯片貼裝操作，而且為了防止氧化要對銀漿進(jìn)行固化，還要進(jìn)行引線焊接。這一系列的操作是為了將芯片更好地安裝在相應(yīng)的位置，使得后續(xù)的連接工作可以有效開展 []。

（二）后段工序

• 注塑：使用EMC（塑封料）將產(chǎn)品封測起來，它能夠防止外部沖擊，同時(shí)借助加熱使其硬化。此過程中塑封料包裹著芯片，為芯片提供外部的保護(hù)以及特定的形狀構(gòu)造等功能 []。

• 激光打字：利用激光在產(chǎn)品上刻下諸如生產(chǎn)日期、批次等等相應(yīng)的內(nèi)容。這樣可以使得產(chǎn)品的批次、生產(chǎn)時(shí)間等信息變得清晰，有助于產(chǎn)品識(shí)別、質(zhì)量追溯等多個(gè)方面 []。

• 高溫固化：這一步驟主要是為了保護(hù)IC內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過高溫處理能夠消除內(nèi)部應(yīng)力，讓芯片在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定可靠 []。

• 去溢料：在芯片制作過程中可能會(huì)出現(xiàn)邊角溢料的情況，所以要進(jìn)行修剪邊角的工作，確保芯片的外觀尺寸符合要求以及功能不受影響 []。

• 電鍍：電鍍處理可以提高芯片的導(dǎo)電性能，增強(qiáng)其可焊接性，從而使得芯片在后續(xù)與其他電路元件連接的時(shí)候能夠更加穩(wěn)定地傳輸信號(hào) []。

• 切片成型檢查殘次品：這一步驟是為了最終確定芯片是否合格，要對切片成型后的芯片進(jìn)行仔細(xì)檢查。只有通過了這個(gè)FT測試（Final Test）的產(chǎn)品才能夠?qū)ν獬鲐洠_保流向市場的芯片是經(jīng)過層層篩選后的合格產(chǎn)品 []。

三、芯片封測流程中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）封裝技術(shù)層面

• 不同封裝材料的選擇與應(yīng)用：根據(jù)芯片的用途、性能要求以及成本等多種因素，可選擇金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。金屬封裝具有較好的散熱性能和屏蔽性能，適用于一些對散熱和抗干擾要求較高的芯片；陶瓷封裝的耐高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性都比較強(qiáng)，常常用于高端芯片或者特殊環(huán)境下的芯片封裝；塑料封裝成本低、可塑性強(qiáng)，應(yīng)用非常廣泛，尤其在民用電子設(shè)備中的芯片封裝利用率很高。不同封裝材料在物理特性、電學(xué)特性方面各具優(yōu)劣，需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行科學(xué)選擇 []。

• 引腳連接相關(guān)技術(shù)：

• 焊接技術(shù)創(chuàng)新：在將芯片的引腳與封裝器件或者電路板連接的時(shí)候，焊接是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如線纜焊接（Wire Bonding），這種焊接方式利用金屬絲（通常是金線）將芯片引腳與外部的連接點(diǎn)連接起來。還有焊錫球（BGA球）焊接，它通過在芯片底面的焊盤上設(shè)置許多微小的焊錫球來實(shí)現(xiàn)與電路板的連接。焊接技術(shù)的好壞直接影響芯片與外部電路連接的穩(wěn)定性和可靠性。如果焊接存在虛焊等情況，可能會(huì)導(dǎo)致電路斷路或者信號(hào)傳輸異常等嚴(yán)重問題。

• 提高引腳密度的相關(guān)布局技術(shù)：現(xiàn)代芯片向著多功能化方向發(fā)展，對引腳的需求越來越多，這就要求引腳布局更加合理和高密度。例如球柵陣列（BGA）封裝技術(shù)，通過陣列式的引腳布局（焊錫球），在較小的空間內(nèi)設(shè)置了較多的引腳；還有無引腳封裝（WLP）技術(shù)，雖然沒有傳統(tǒng)的引腳，但是通過特殊的布局方式在芯片尺寸縮小的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)高引腳密度的連接 []。

（二）測試技術(shù)層面

• 功能測試技術(shù)：

• 自動(dòng)化功能測試設(shè)備：對于芯片的功能測試，通常采用自動(dòng)化測試設(shè)備（ATE）。這些設(shè)備具備高度自動(dòng)化、多功能性和高精度的特點(diǎn)。高度自動(dòng)化意味著可以在無需大量人工干預(yù)的情況下執(zhí)行各種測試任務(wù)，節(jié)省人力成本和提高測試效率；多功能性體現(xiàn)為能夠?qū)π酒M(jìn)行諸如數(shù)字電路功能、模擬電路功能、混合電路功能等多種類型的測試，從而全面評(píng)估芯片是否達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求；高精度則保證了對芯片功能的精確測量和準(zhǔn)確評(píng)估，確保測試結(jié)果的可信度高。

• 測試程序的優(yōu)化：針對不同類型的芯片，要編寫或優(yōu)化適合的測試程序。測試程序需要確保對芯片各個(gè)功能模塊的全覆蓋測試，不留功能測試的死角。例如對于具有復(fù)雜邏輯功能的芯片，測試程序要對各種邏輯運(yùn)算情況進(jìn)行模擬驗(yàn)證，避免出現(xiàn)因測試不全面而使某些功能缺陷未被發(fā)現(xiàn)的情況。而且測試程序還要根據(jù)芯片設(shè)計(jì)的更新和應(yīng)用場景的變化不斷優(yōu)化改進(jìn)，確保測試的準(zhǔn)確性和高效性。

• 可靠性測試技術(shù)：

• 多環(huán)境因素下的測試：為了確保芯片在不同工作環(huán)境下的可靠性，需要進(jìn)行多環(huán)境因素下的測試。比如溫度測試，要將芯片暴露在不同的溫度環(huán)境下（從低溫環(huán)境如 -40°C到高溫環(huán)境如85°C - 125°C不等），觀察芯片在冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)以及長期在不同溫度下穩(wěn)定工作的性能表現(xiàn)。濕度測試則要考察芯片在不同濕度環(huán)境下是否會(huì)出現(xiàn)性能衰減或者短路等故障。此外，還要進(jìn)行振動(dòng)測試、抗靜電測試等，模擬芯片在實(shí)際運(yùn)輸、使用過程中可能遇到的各種不利環(huán)境因素的影響。

• 耐用性和壽命測試技術(shù)：通過一些加速老化測試技術(shù)來評(píng)估芯片的耐用性和壽命。例如在高于正常工作電壓或者溫度的條件下讓芯片運(yùn)行一定時(shí)間，然后檢查芯片的性能指標(biāo)是否仍然在合格范圍內(nèi)，以此來推斷芯片在正常使用條件下的使用壽命和可靠性情況。這種加速老化測試要依據(jù)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行操作，確保測試結(jié)果的可參考性。

四、芯片封測流程實(shí)例分析

以普通消費(fèi)電子設(shè)備中的一款CPU芯片為例：

（一）前期準(zhǔn)備階段

• 首先，這款芯片在晶圓制造完成后，晶圓廠會(huì)根據(jù)芯片封測廠的要求對晶圓進(jìn)行初步的檢測，主要是確保晶圓的基礎(chǔ)質(zhì)量，比如晶圓上的電路是否完整、有否制造瑕疵等。

• 封測廠拿到晶圓后進(jìn)入封裝環(huán)節(jié)的前期準(zhǔn)備，選擇適合的封裝材料，由于是消費(fèi)電子設(shè)備使用，要考慮成本因素，一般采用塑料封裝材料，而且要根據(jù)CPU芯片的引腳數(shù)量、功耗等確定封裝形式，如這種CPU可能適合采用方形扁平無引腳（QFN）封裝形式，因?yàn)樗m合于表面貼裝且能滿足一定的引腳和散熱需求。同時(shí)，準(zhǔn)備好如環(huán)氧樹脂等粘結(jié)材料、封裝用到的框架等相關(guān)材料。

（二）前段工序執(zhí)行情況

• 晶圓減薄時(shí)，按照QFN封裝的厚度要求，將晶圓背面進(jìn)行打磨使厚度降低到合適數(shù)值。減薄過程中的技術(shù)關(guān)鍵是要精確控制厚度，因?yàn)檫@個(gè)厚度是后續(xù)各個(gè)工序順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，如果過薄可能導(dǎo)致芯片脆弱易碎，如果過厚則可能影響整個(gè)封裝的結(jié)構(gòu)或者導(dǎo)致與其他設(shè)備的適配問題。

• 隨后進(jìn)行晶圓切割，使用高精度的切割設(shè)備將晶圓按照芯片的大小切割成單獨(dú)的Dice。這個(gè)過程需要注意切割的精度和對切割后芯片的清潔，以避免切割產(chǎn)生的殘?jiān)⑺樾紝π酒斐晌廴净蛘邠p傷芯片電路。例如，切割過程中的一些微小金屬殘?jiān)赡軙?huì)導(dǎo)致電路短路。

• 光檢查環(huán)節(jié)通過自動(dòng)化的光學(xué)檢測設(shè)備對切割后的芯片進(jìn)行逐片掃描，檢測的精度可以達(dá)到微納米級(jí)別，能夠發(fā)現(xiàn)芯片表面是否有劃痕、電路是否有斷點(diǎn)等各種殘次品特征。如果發(fā)現(xiàn)次品，就做上標(biāo)記并且將其分類出來，不進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

• 芯片貼裝過程中，將芯片準(zhǔn)確地放置在封裝框架內(nèi)（這對于QFN封裝來說框架結(jié)構(gòu)和芯片的貼合精度要求高），采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘貼，并完成銀漿固化防止氧化，然后進(jìn)行引線焊接。由于是CPU芯片，引線的布局和焊接質(zhì)量直接影響到芯片與外部設(shè)備（如主板）的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，所以焊接過程中的焊接技術(shù)參數(shù)（如焊接溫度、焊接壓力等）要嚴(yán)格控制。

（三）后段工序進(jìn)展

• 注塑環(huán)節(jié)，采用特定的塑料封裝料對芯片進(jìn)行包裹注塑。在注塑過程中，控制注塑的溫度、壓力和速度等參數(shù)，確保封裝料均勻地充滿整個(gè)封裝空間，避免出現(xiàn)空泡等缺陷。注塑形成的外殼形狀對于QFN封裝不僅起到保護(hù)芯片的作用，還影響到它在PCB板上的安裝和散熱性能等。

• 激光打字在芯片表面打上型號(hào)、生產(chǎn)批次等標(biāo)識(shí)，標(biāo)記的位置要精確且深度要適中，確保標(biāo)識(shí)清晰可辨且不影響芯片的性能。例如不能因?yàn)闃?biāo)記過深而損壞芯片內(nèi)部電路。

• 高溫固化對于穩(wěn)定芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為重要，在高溫固化爐中按照規(guī)定的溫度曲線（比如從升溫到恒溫再到降溫的過程）進(jìn)行處理。這個(gè)過程中的溫度曲線是根據(jù)封裝材料和芯片性能要求設(shè)定的，如果溫度控制不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致封裝材料與芯片之間產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)而影響芯片的性能或者長期穩(wěn)定性。

• 去溢料主要是去除注塑過程中在芯片邊緣產(chǎn)生的多余塑料，使芯片的外形規(guī)整，這個(gè)過程利用自動(dòng)化的修邊設(shè)備進(jìn)行精確修整。

• 電鍍環(huán)節(jié)通過電鍍設(shè)備在芯片的引腳或者指定的表面鍍上一層導(dǎo)電性能良好的金屬層，提高芯片的導(dǎo)電和焊接性能。電鍍的金屬層厚度、均勻度都需要嚴(yán)格控制，不均勻的電鍍層可能導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)牟町愋曰蛘吆附訒r(shí)接觸不良等問題。

• 最后切片成型檢查殘次品時(shí)，對芯片進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，包括外觀檢查、功能測試等。外觀檢查看芯片的整體外形、標(biāo)記是否正常等；功能測試會(huì)連接到專門的測試設(shè)備上，對芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、指令執(zhí)行等功能進(jìn)行測試，只有完全符合要求的芯片才能成為合格產(chǎn)品出貨。

五、芯片封測流程的優(yōu)化方法

（一）工藝參數(shù)優(yōu)化

• 溫度相關(guān)的優(yōu)化：在多個(gè)工序中溫度是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)。例如在焊接過程中，不同的焊接材料和芯片引腳材質(zhì)可能需要不同的最佳焊接溫度，溫度過高可能導(dǎo)致焊點(diǎn)氧化或者芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，溫度過低則可能導(dǎo)致焊接不牢固。通過精確的實(shí)驗(yàn)探索和理論計(jì)算，可以找到最佳的溫度參數(shù)，并且采用高精度的溫控設(shè)備來準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這個(gè)溫度控制。像在芯片高溫固化環(huán)節(jié)，找到能夠完全消除內(nèi)部應(yīng)力同時(shí)又不對芯片性能造成影響的溫度范圍，如通過采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備監(jiān)控芯片在不同溫度固化后的應(yīng)力情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到最佳固化溫度區(qū)間。

• 壓力參數(shù)調(diào)整：像晶圓減薄時(shí)研磨的壓力、芯片貼裝時(shí)的粘貼壓力以及注塑時(shí)的壓力都需要優(yōu)化。如果晶圓減薄時(shí)研磨壓力過大，可能會(huì)使得晶圓表面平整度變差或者產(chǎn)生厚度不均勻的情況；芯片貼裝時(shí)粘貼壓力不穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致芯片粘貼不牢固或者移位；注塑時(shí)壓力如果不合理，就會(huì)產(chǎn)生比如注塑不完全或者封裝料溢出速度過快無法控制等問題。可利用傳感器等設(shè)備精確測量和監(jiān)控這些壓力參數(shù)，根據(jù)實(shí)際的測量結(jié)果來調(diào)整到最佳的壓力數(shù)值。

（二）設(shè)備與材料升級(jí)

• 采用更先進(jìn)的測試設(shè)備：傳統(tǒng)的測試設(shè)備在功能的多樣性、測試速度、測試精度方面可能存在不足。比如對于一些高速信號(hào)傳輸芯片的測試，新型的高速自動(dòng)測試設(shè)備（ATE）能夠提供更高的測試頻率和更精確的信號(hào)測量，從而能夠更全面地檢測芯片在高速信號(hào)傳輸下的各項(xiàng)性能指標(biāo)。而且隨著芯片向更高集成度發(fā)展，一些測試設(shè)備也引入了更智能的診斷功能，可以根據(jù)測試結(jié)果快速定位芯片存在的故障可能位于哪個(gè)模塊、哪條線路等。

• 選擇高性能的封裝材料：從基礎(chǔ)的封裝保護(hù)和性能需求提升出發(fā)，在已有的塑料、陶瓷、金屬等封裝材料基礎(chǔ)上，開發(fā)一些新性能的材料或者對現(xiàn)有的材料進(jìn)行改進(jìn)。例如研發(fā)出散熱性能更好且成本相對較低的新型塑料封裝材料，或者改進(jìn)陶瓷封裝材料的韌性，使其在保證高可靠性的同時(shí)能夠減少在制造過程中的破損率。

（三）質(zhì)量監(jiān)控體系強(qiáng)化

• 生產(chǎn)全過程的質(zhì)量追溯：在芯片封測過程中，從晶圓進(jìn)入工廠開始到最終成品出貨的每一個(gè)步驟都建立詳細(xì)的生產(chǎn)資料記錄，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)能夠快速地通過這些記錄的數(shù)據(jù)追溯到哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。例如記錄每一批晶圓的來源、每一個(gè)芯片的切割時(shí)間、用的是哪個(gè)批次的封裝材料等信息，以及每個(gè)芯片在各個(gè)測試環(huán)節(jié)的具體測試數(shù)據(jù)等。

• 抽樣檢測到全樣本檢測的逐步推進(jìn)：傳統(tǒng)的抽樣檢測可能存在一定的漏檢風(fēng)險(xiǎn)，對于一些高可靠性要求或者高成本的芯片封測，可以逐步增加檢測的范圍甚至實(shí)現(xiàn)全樣本檢測，確保每一個(gè)流向市場的芯片都是完全合格的產(chǎn)品。當(dāng)然全樣本檢測面臨成本壓力和檢驗(yàn)效率的挑戰(zhàn)，可以利用智能化的測試設(shè)備和算法，提高全樣本檢測過程的效率從而降低成本。

芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

·         合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。