半导体元器件的制造过程包括前端制造过程和后端封装测试过程。 封装测试环节是连接晶圆与元器件的桥梁,位于半导体元器件设计之后、最终产品之前,属于半导体制造的后端工艺。
封装工艺是将芯片排版、固定、连接在基板上,用塑料绝缘介质灌封形成电子产品的过程,目的是保护芯片不受损坏,保证芯片的散热性能,实现电能和电信号的传输,保证系统的正常运行测试过程是使用专业设备对产品的功能和性能进行测试。
根据SEMI对全球半导体封装设备市场的统计,封装测试设备约占半导体设备整体市场份额的15%,属于核心工艺设备。 随着下游应用场景的不断丰富和对封测工艺技术要求的不断提高,半导体封测逐渐进入产业链核心领域,成为延伸摩尔定律的主要支柱之一。
在包装过程中,每个环节和工艺阶段都对应着某种类型的包装设备。 其中,LED芯片封装设备主要有扩晶机、贴片机、引线键合机、灌胶机、分光器、编带机等。 半导体封装设备主要包括减薄机、切割机、芯片键合机、引线键合机等。
(1)LED封装领域
LED封装是LED产业链中的关键环节。 通过封装,可以为LED芯片提供电气输入、机械保护和散热通道,实现高效率、高质量的光输入。 LED领域的主要封装工艺包括芯片键合、引线键合、灌胶、光分离和流片。
(2)半导体封测领域
与LED封装领域相比,半导体领域的封装测试一般从晶圆入手,通过减薄切割工艺将晶圆切割成晶圆,以达到封装所需的厚度。 然而,在晶圆阶段,半导体领域的封装测试也要求芯片固定在特定的载体上,晶圆通过键合线连接到特定的载体上,形成与外界通信的信号传输通道。 因此,半导体领域的封装测试还包括芯片键合和引线键合工艺,这些工艺在设备和技术方面与LED领域的封装有一定的共性,主要区别在于加工精度,各工艺的具体内容如下
(3)封装互连技术的分类
根据芯片封装互连技术的不同,半导体封装互连技术主要分为引线键合(引脚数3-257)、载带自动焊接(引脚数12-600)和倒装焊接(引脚数6-16000)。
1) 引线键合
引线键合工艺:在引线键合封装(引线)中的芯片电极(PAD)和支架引脚上,通过键合线的超声波热压焊接形成可靠的电气连接芯片电极与金线的连接方式为金球焊,支架与金线的连接方式为楔形鱼尾连接。
目前,适用于引线键合互连的主要封装技术有SIP、DIP、SOP、QFP、QFN、WB-BGA和3D 25D封装、SIP等
2)载带自动焊接
胶带自动键合 (TAB) 是一种组装技术,可将晶圆安装并互连到柔性金属化聚合物载带上,是芯片引线框架的互连工艺。 TAB的工艺流程如下:首先,在聚合物上制作元件引脚的导体图案,然后根据其键合面积将晶圆放置在其上,然后将芯片上的凸块与载带上的焊点焊接在一起,将所有引线一次性通过热电极分批键合, 最后将焊接的芯片密封并保护起来。
3) 翻转焊接
倒装焊接是在芯片的电极上预制凸块,然后将凸块连接到基板或引线框架的相应电极区域。 集成电路芯片连接到载体或基板,有源侧朝下。 芯片与基板之间的互连是通过芯片上的凸块结构和基板上的粘接材料实现的,这使得机械和电气互连成为可能。 对于高密度芯片,倒装焊接在性能上具有很强的优势。
一般来说,载带自动互连和翻焊互连的电气性能优于引线键合,但需要额外的设备。 因此,对于IO数量较少的芯片,自动载带和倒装焊接导致更高的产品成本,而在3D封装中,堆叠的芯片不能全部倒置在封装体上,而只能通过引线键合或TSV与封装体互连。
基于以上原因,引线键合一直是芯片互连的主流技术,是芯片电互连中重要的实现手段和方法。
(4)引线键合是封装测试的核心工艺,随着材料和技术的升级而不断发展
目前,超过90%的芯片互连封装依靠引线键合技术来完成,引线键合将作为未来大部分芯片封装中的主要互连技术长期存在,并继续大量用于封装类型中。 从 2015 年到 2021 年,全球引线键合市场规模以 2 的复合年增长率增长1%,保持平稳增长。
其余不采用引线键合技术的封装,多用于少数对集成度和精度要求较高或具有特殊性能的芯片封装环节,应用场景相对有限。 随着未来引线键合机和引线键合材料的多样化,结合新材料、新工艺、新技术的应用,引线键合将进入更多的封装工艺,以满足半导体封装的巨大需求。
(5)包装应用领域及相应的包装形式