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 ，服务器租用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”，亿华云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 ，免费模板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） ，高防服务器采用高深宽比 、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。云计算

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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。

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、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。