一文看懂芯片的封装工艺（先进封装篇1：倒装封装）

先介绍一下倒装封装
。懂芯

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倒装封装（Flip Chip）

业界普遍认为
，片的篇倒倒装封装是封装封装传统封装和先进封装的分界点 。

上期我们提到
，工艺芯片封装发展的先进第三阶段（1990年代），代表类型是装封装BGA（球形阵列）封装。早期的懂芯BGA封装，是片的篇倒WB（Wire Bonding ，引线） BGA，源码下载封装封装属于传统封装。工艺

后来
，先进芯片的装封装体积越来越小，而单颗芯片内的懂芯焊盘数量越来越多（接近或超过1000个）。传统的片的篇倒引线封装，已经无法满足要求。封装封装

于是，采用倒装技术替换焊线的FC BGA封装，就出现了。

所谓“倒装”，服务器租用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。

通过加热，让熔融的凸点与基板焊盘相结合，实现晶粒与基板的结合。

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WB BGA与FC BGA

我们来看看具体的工艺流程。

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

要把晶粒与基板连在一起（后面会说，这叫“键合”），开始不一样了 。

第一步，是凸点制作（Bumping）
。

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，香港云服务器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） ，源码库采用高深宽比
、小尺寸的铜柱凸点，直接加热粘结 。这种方式能够实现高密度互联 ，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。模板下载

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电子显微镜下的凸点

制作凸点的流程比较复杂。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。

UBM的沉积，通常采用溅射（Sputtering）、化学镀（Electroless）、电镀（Electroplating）的方式实现
。

凸点本身的沉积  ，通常采用电镀
、印刷、蒸镀、植球的方式实现（前两者比较常见） 。

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）：

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比较特别的是
，最后多了一个步骤——“回流”
，把锡帽变成了子弹头形状。

第二步，是对准和贴装 。

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 。

回流焊的大致过程 ：

回流焊流程

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 。

然后，用贴片设备将晶粒精准地放到基板上  。

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（温度和时长需要严格控制）。

最后
，清洗去除助焊剂
 ，就OK了 。

凸点数量较多、间距较小时，回流焊容易导致出现翘曲和精度问题 
。于是，这个时候就可以用热压（TCB）工艺。

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热压流程

前文提到
，热压（TCB）工艺非常适合更多凸点、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
，并通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。）

第三步，底部填充。

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）。不仅能够固定晶粒 ，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。

底部填充工艺一般分为三种：毛细填充（流动型）、无流动填充和模压填充。

一般来说
，倒装封装都是以毛细填充为主。方法比较简单 ：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
。

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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。

以上，就是倒装封装（凸点工艺）的大致流程  。

相比传统封装，倒装封装的优势非常明显：

1、能够实现高密度的I/O电气连接，有利于减小芯片的体积。

2 、凸点连接，相比引线 ，可靠性也更强
。

3 、信号传输路径大大缩短，减少寄生电容和电感，提高信号的完整性 。

4、晶粒和基板直接接触
，热量能够快速传导并散发出去。

凸点（bump）的制造过程与晶圆制造（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。

后面会提到的TSV和RDL，也是中道工序。

最近这十几年 ，先进封装高速发展 ，凸点工艺也一直在演进。

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，请大家一定要注意
。

3D封装中的微凸点（μBump）

键合

插播一个概念——键合（Bonding） 。

上期小枣君介绍了传统封装里的引线封装。刚才 ，又介绍了倒装封装。

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 。

引线封装  ，叫引线键合。倒装封装
，叫倒装键合。

除了这两种键合之外 ，还有：载带自动键合、混合键合、临时键合等。

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载带自动键合

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，主要区别在于引线键合中，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
 。

载带自动键合

载带既作为芯片的支撑体，又作为芯片与外围电路连接的引线
。

载带自动键合包括以下5个步骤 ：

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 。

3、对准和贴装：将芯片贴装在基板上。

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

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、注塑保护：这个和引线键合流程差不多
，就是形成保护层。

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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 ，这两个概念非常重要 。后续讲到立体封装时，小枣君会详细介绍。

CSP（芯片级封装）

再插播一个概念——CSP（Chip Scale Package ，芯片级封装）。

前面几期里 ，提到过CSP，说CSP是芯片小型化封装的一种方式
。

CSP是BGA之后开始崛起的。主要原因，就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
。

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和BGA一样 ，CSP也分为WB CSP和FC CSP。

通常来说，FC CSP较多应用于移动设备（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。

这个知识点大家知道一下就好，不算重点。

好了 ，今天先讲到这里。

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