一文了解芯片贴装键合

芯片贴装键合

芯片贴装键合，亦称为Die Bonding（芯片键合）、Die Attach（芯片覆贴）或Die Mounting（芯片焊接），是将切割并挑选好的裸芯片通过特定工艺固定到框架或基板上，以实现芯片与外部电路的电连接。

• 芯片贴装键合工艺过程

• 芯片贴装设备与工艺

• 芯片贴装的工艺与材料

• 芯片键合后的测试与评估

这一工艺过程主要包含以下三个关键步骤：

第一步：涂抹导电银浆或环氧树脂

首先，需要将事先配比好的导电银浆或环氧树脂均匀地涂抹在框架或基板的焊接区域（即基岛）上。这一步骤的目的是为了提供一个良好的导电和粘结界面，确保芯片能够牢固地固定在基板上，并实现与外部电路的电连接。如上图所示，导电银浆或环氧树脂被均匀地涂抹在焊接区域上。

第二步：拾取并搬运芯片

接下来，需要从已经切割并分离的晶圆上拾取挑选好的芯片，并将其搬运到已经涂抹了导电银浆或环氧树脂的焊接区域上。这一步骤需要高精度的定位和搬运技术，以确保芯片能够准确地放置在焊接区域上，并与导电银浆或环氧树脂充分接触。如上图所示，芯片被精确地放置在焊接区域上。

第三步：施加压力进行键合

最后，需要施加一定的压力使芯片与框架或基板的焊接区域紧密键合起来。这一步骤可以通过各种方式实现，如使用压合机、热压机等设备。施加压力的目的是为了确保芯片与导电银浆或环氧树脂之间形成良好的粘结，从而实现芯片与外部电路的稳定电连接。如上图所示，芯片在施加压力后与基板紧密键合在一起。

循环重复工序

在完成上述三个步骤后，整个芯片贴装键合过程会循环重复进行。这包括重新涂抹导电银浆或环氧树脂、再次拾取并搬运芯片、以及再次施加压力进行键合等步骤。整个工序在循环中进行，直到所有需要键合的芯片都被固定到框架或基板上为止。

通过以上三个关键步骤的循环重复，芯片贴装键合工艺能够高效地将大量芯片固定到框架或基板上，并实现与外部电路的稳定电连接。

芯片贴装设备的核心部件与运作系统

芯片贴装设备其构造复杂且精密，如图所示，该设备主要由以下几个核心部件和运作系统构成：

(1) 精密机械传动部件：这是设备的“骨架”，主要由X、Y、Z三轴移动工作台组成。工作台不仅承载着芯片，还能实现芯片在前后、左右、上下三个方向上的精准移动。此外，它还具备扩片功能，这一功能得益于滚珠丝杆和线性滑块导轨等精密元件的协同作用。

(2) 真空系统：这一系统负责芯片的拾取（Pick up）和放置（Pick down）。它主要由真空泵和拾取喷头组成，通过产生负压来吸附芯片，实现芯片的精准搬运。

(3) 装载/卸载（Load/UnLoad）系统：该系统负责设备的原料输入和成品输出，是连接生产线的重要桥梁。

(4) 驱动系统：由驱动电机和驱动器构成，为设备的精准运动提供动力源。

(5) 控制系统：这是设备的“大脑”，包括视觉控制、操作控制、算法控制和电气控制等多个子系统。它们共同协作，确保设备的精准、高效运行。

芯片键合工艺概述

在半导体封装工艺中，芯片键合是将芯片固定于基板或框架上的关键步骤。

键合工艺主要分为传统键合和先进键合两种类型。

芯片键合与倒装芯片键合的对比

芯片键合是将芯片黏结到引线框架（Lead Frame）或印刷电路板（PCB）上，实现芯片与外部电路之间的电气连接。而倒装芯片键合则先将凸块附着在芯片焊盘上，再将芯片正面朝下放置在基板上。

芯片贴装设备工作主单元详解

芯片贴装设备的工作主单元主要包括喷头、视觉控制系统、吸盘和顶针装置等关键部件。

喷头用于在基板的基岛区域涂敷黏结剂。视觉控制系统则用于检测芯片的具体位置，确保芯片的精准放置。吸盘用于将芯片从晶圆上拾取并运送到基板位置。而顶针装置则位于晶圆下方，用于将芯片往上顶升，方便吸盘拾取。

黏结剂涂抹与芯片贴装过程

黏结剂的涂抹和芯片的贴装是芯片贴装工艺中的关键步骤。吸盘将芯片吸附后放置到已经涂敷黏结剂的基岛区域，并施加一定的力完成芯片和框架或基板的黏结。工作台则按顺序逐个完成芯片的贴装。

涂抹黏结剂的部件称为喷头，它有多种类型可供选择。

导电银浆的应用与特性

导电银浆是一种优秀的电气连接材料，由环氧树脂和导电填料（如导电银微粒）等组成。

它具有良好的导电性和综合性能，在芯片封装工艺中被广泛应用。导电银浆需要低温保存在冰箱中，使用时需要提前取出并恢复到常温。采用含有银粉的环氧树脂等热固性树脂作为黏结剂，可以在常温下将芯片与基岛黏结，并通过加热固化处理来提高其强度和稳定性。导热性和导电性的实现主要依靠其中的银粉。虽然导电银浆的成本较低，但其导电性能不如金属黏结剂，因此在某些高端应用中可能受到限制。

吸盘的选择与应用

吸盘是芯片贴装设备中的重要部件，它负责从晶圆上拾取芯片并将其放置到框架或基板的基岛上。吸盘的材质和形状多种多样，如金属、塑料、橡胶等材质以及两面锥状、四面锥状、平板状等形状。

不同形状和材质的吸盘具有不同的优缺点，需要根据实际应用场景进行选择。

芯片从磨划到挑拣拾取与放置的全过程

经过磨划后，芯片已经从晶圆上独立开来。接下来，吸盘会按照晶圆磨划后的结果图进行芯片的挑拣和拾取工作。拾取好的芯片会被放置到已经涂敷黏结剂的框架或基板基岛上。

而挑拣剩下的不合格芯片则会被丢弃。整个芯片的拾取和放置过程都是在键合机器上自动完成的。这一过程的精准性和高效性对于提高整个封装工艺的生产效率和产品质量至关重要。

在芯片贴装工艺中，除了基本的机械传动、真空系统、装载/卸载系统、驱动系统和控制系统外，还涉及多种关键的工艺和材料。

以下将重点介绍芯片顶出工艺、使用环氧树脂实现黏结的芯片键合工艺以及使用晶圆黏结薄膜的芯片键合工艺。

芯片顶出工艺

在完成划片工序后，芯片被分割成独立的单元，并轻轻地黏附在切割带上。

由于芯片此时水平放置在切割胶带上，直接拾取较为困难，即使使用真空吸盘也难以轻易拾取，强行拾取还可能对芯片造成物理损伤。因此，采用芯片顶出工艺成为解决这一问题的关键。

使用环氧树脂实现黏结的芯片键合工艺

环氧树脂是一种常用的高分子材料，具有易于使用、频率高的特点。在芯片键合过程中，环氧树脂作为黏结剂发挥着重要作用。

首先，将极少量的环氧树脂精确地涂敷在基板上。然后，将芯片放置到已涂敷环氧树脂的基板上。接着，通过回流和固化工序，在150~250℃的高温加热条件下使环氧树脂硬化，从而实现芯片和基板的黏结。

使用晶圆黏结薄膜的芯片键合工艺

晶圆黏结薄膜是一种附着在晶粒底部的薄膜材料，相比高分子环氧树脂材料具有厚度小且恒定的优点。因此，在芯片键合过程中，晶圆黏结薄膜逐渐成为首选材料。

使用晶圆黏结薄膜进行芯片键合时，可以跳过点胶的工序，从而避免了环氧树脂的弊端。然而，晶圆黏结薄膜也存在一些问题，如部分空气会进入薄膜引起变形等。因此，对于处理晶圆黏结薄膜的设备精度要求非常高。

黏结剂的烘烤固化

在完成芯片键合后，还需要进行黏结剂的烘烤固化过程。将黏结键合完成的框架或基板装回到基板盒中，然后放进热风循环的烤箱中进行烘烤。烤箱内充满氮气以防止氧化作用对芯片和黏结剂造成损害。

烘烤温度和时间根据具体的黏结剂和工艺要求而定。一般使用170℃的温度进行烘烤60~120分钟，使胶水中的溶剂挥发并完全固化。这样可以使芯片牢固地黏结在基板上，确保芯片贴装的质量和可靠性。

在芯片键合完成后，为确保其黏结牢固性，主要采用芯片剪切测试实验进行评估。该测试使用剪切工具以特定速度对芯片施加平行于附着表面的力，以衡量芯片与黏结剂、黏结剂与附着材料（如框架或基板）之间的连接强度。MIL STD-883方法是执行此类测试的行业标准。

芯片剪切测试要求

力的施加：需精确地将力施加到芯片上，精度为满程量的±5%或50克。

工具定位：确保剪切工具与基板平面垂直。

平行运动：剪切工具在运动时需与芯片保持平行状态。

观察与记录：使用显微镜和照明系统对测试过程进行观察，并记录结果。

芯片剪切的失效模式

芯片剪切测试可揭示多种失效模式，包括黏结剂与芯片的黏结程度不足、黏结剂与基板的黏结程度不足，以及黏结剂本身的材料质量问题。

芯片黏结键合的注意事项

在芯片黏结键合过程中，需注意以下几点：

避免顶针痕迹：芯片背部若因顶针留下痕迹，易在冷热循环中释放应力，导致芯片裂纹。

银层厚度：较厚的银层可降低热应力，但过厚会影响热量传导，导致芯片过热。

环氧角高度：需控制环氧角高度以减少树脂流出现象，避免芯片表面污染。

环氧树脂空洞：空洞会降低黏性和热传导性能，增加内应力。

引线框架作为封装材料的重要性

引线框架是连接芯片接触点和外部导线的关键结构材料，由芯片焊区（基岛）和外引线脚组成。

它起着固定芯片、保护芯片、传递电信号并向外散热的作用。

引线框架材料的特性要求

导热导电性好：降低电容电感效应，有利于散热。

低热膨胀系数：具有良好的匹配性、钎焊性、耐蚀性、耐热性、耐氧化性和电镀性。

足够的强度与刚度：抗拉强度大于450MPa，延伸率大于4%。

平整度好：残余应力小。

易加工：冲压裁剪不起毛刺。

成本低：满足大规模生产需求。

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