半导体制造中,晶圆经前道工序完成电路制造后,表面形成规则排布的裸片(Die)。这些裸片材料脆薄,无法直接应用于电子系统,必须通过封装工序进行保护与电气连接,方可成为可使用的芯片(Chip)。封装通常由专业封测厂完成,涉及晶圆减薄、切割、贴片、引线键合、塑封及成型等环节。
裸片封装主要基于以下技术需求:
环境隔离:防止湿气、污染物侵蚀内部电路;
热管理:有效导出芯片工作产生的热量;
电磁屏蔽:抑制电噪声及电磁辐射干扰。
标准封装工艺针对单个裸片实施。在特定应用场景下,多个裸片可通过中介层(Interposer)或系统级封装(SiP)技术集成于同一封装体内,实现复杂功能。
封装工艺流程详述如下:
一、 晶圆切割(Wafer Dicing)
前道工序完成的晶圆首先进行电性测试,标记不良品。随后根据晶圆厚度选择切割方式:
晶圆厚度大于100µm:采用机械刀片切割;
晶圆厚度介于30µm至100µm:采用激光切割;
晶圆厚度小于30µm:采用等离子体切割。
需明确技术术语:晶圆上待切割的单元称为“Die”(裸片),未经封装;经过封装并集成于系统的功能单元称为“Chip”(芯片)。
二、 贴片(Die Attach)
切割后的裸片通过贴片机(Die Bonder)拾取,精确放置于引线框架(Leadframe)的基岛上。引线框架预先涂布粘接材料(如环氧树脂或焊料),确保裸片机械固定及部分热传导路径。引线框架同时提供外部引脚阵列,作为芯片与外部电路的电接口。
三、 引线键合(Wire Bonding)
裸片固定后,需实现其焊盘(Pad)与引线框架内引脚的电连接。当前主流工艺为引线键合,采用金丝、铜丝或铝丝。键合过程包含以下步骤:
1.焊头穿出金属引线,通过电弧放电或热烧方式在引线末端形成金属球;
2.焊头移动至裸片焊盘位置,通过热压或超声能量使金属球与焊盘熔合;
3.焊头牵引金属丝至对应引脚焊盘,形成弧形连线;
4.在引脚焊盘处施加电流及压力,使金属丝与焊盘熔合后断开,焊头末端重新形成金属球,进入下一循环。
键合工艺需精确控制焊头运动轨迹、下压速度、金属球尺寸及键合时间,以兼顾连接可靠性及生产效率。
四、 塑封压模(Molding)
完成引线键合的引线框架置于注塑模具内。模具闭合后形成封闭型腔,覆盖裸片、引线及部分引脚。通过注塑工艺将环氧模塑树脂(EMC)填充型腔,经加热固化后形成保护外壳。该步骤完成后,芯片、内部引线及部分引脚框架被封装为一体。
五、 切筋成型(Trim & Form)
塑封后的连片结构需进行分离与整形:
切筋:通过冲切模具去除引线框架多余材料(如中筋、边带),使各芯片引脚独立;
成型:通过上下成型模具对引脚进行机械弯曲,使其达到规定的共面性及角度(如DIP封装引脚垂直弯曲)。至此,芯片封装工艺完成。
封装工艺的核心在于实现电信号引出、物理保护与热管理,同时满足不同应用场景对尺寸、可靠性及成本的综合要求。