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[转帖] 你了解芯片封装技术吗?

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发表于 2019-10-29 09:41:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
这次我们聊一下关于封装方式的介绍。现在中国半导体产业中,占比最大的就是封装和测试,而且我相信你不论是处在fabless还是foundry,都离不开这对兄弟。上一个周中已经和大家聊了测试,今天再聊封装。没看过测试内容的,请点击这里(你不知道的那些芯片测试和测试黑幕)。
按照最终外形来看,现在有无数种封装方式,这个实在是太多了,比如QFP,QFN,SOT,DIP,BGA等等,所以我们今天不以这种方式介绍。所以现在按照封装的发展历史来介绍,以封装工艺的方式来分类。
这种封装方式是最早出现的,虽然是第一代技术,但是直到现在也有很多芯片使用这种方式来封装,就是因为技术成熟,成本低。最后封装成的模样就是这样子的。
先聊一下这种封装流程
1,在封装厂拿到wafer之后,先把wafer进行切割,得到一颗一颗的芯片,将那些CP测试(下一次我们再聊测试)通过的芯片单独拿出来。这里要说一个问题,一颗芯片从在没有做任何处理之前,那些引脚是长这个样子的,如下图左下角的方形图案(你先忽略那两个圆形的东西,后面我就知道那两个圆形是怎么来的了),这些引脚也有一个名字,叫做pad。
2,将芯片放到lead frame上,并且用银浆固化,其实就是将芯片和lead frame的底部粘住啦。lead frame可以理解为引线框架,他是一个阵列结构,如下图
就是将芯片放到中间的凹槽,四周都是我们最终看到的引脚。在最终结束工艺之后,就把这些引脚“剪开”,然后掰弯,最终形成我们看到的样子。所以第二步完成之后,从侧面看的话是下图这个样子。
这里要注意,就是芯片必须是正面朝向,当正面朝上的时候,pad也是朝上的。lead frame的引脚在两侧。
3,打线。用金线(或者是铜线,铝线)将芯片的pad和lead frame连接起来。线的种类会根据芯片的不同制程,或者是根据芯片pad的不同结构来决定使用金线或者是铜线。在打线时,先让金线在低端形成一个金球。
然后将金球压倒芯片的pad上,然后通过施压压力或者改变温度来焊接到pad上,这就会在pad上形成一个圆点,图二中的圆点就是这么形成的。
然后将金线拉升,并且移动到lead frame上方。当然不要担心金线会断,因为金线不是固定长度。可以在上面自动生成金线。所以是这个样子的。
然后再将末端的金线压到lead frame上,再侧向划开,切断金线,所以在lead frame上会形成切断金线后的鱼尾形状(我画不出鱼尾形状啦)。最终是这个样子。
4,注塑,也叫塑封。就是将连接好的芯片和lead frame放到模具中。然后将塑封材料灌进去。加热之后这些材料变成液体,再把芯片,金线和lead frame都包住。
5,后续工作就比较简单了,比如在芯片顶部打字,打logo。除去lead frame上多余的塑封材料。在lead frame上电镀一层特殊材料,防止外部环境对于引脚的破坏(比如潮湿,高温等等)。最后将lead frame剪开,得到我们想要的引脚方式。
上面这五部就是wire bond封装方式最简单的流程。这一套工艺在现代封装技术中已经很成熟了,成本也低。但是里面的很多细节还是比较关键的。比如这些制程里面对温度的控制,特别是图7中,金线的弧度,高度以及拉力,金球的大小等等。这些参数直接影响芯片的质量,甚至会使芯片无法使用。
在上面的wire bond中,有一个很大的问题,就是最终出来的芯片比实际的芯片要大很多,因为lead frame和芯片之间是有距离的。为了解决这个问题,人们发明了CSP封装技术。它的思想很简单,就是去掉lead frame,用一块基板代替。
基板的作用就是将导线从pad引过来之后,基板里面有自己的一些电路,将这些导线引到下面的焊接点上(焊接点也是球型)。这样就形成了外部电压通过焊接点,基板(导线)与芯片的pad交流。
所以最终出现的芯片是这样的。当然下面的芯片有可能不是用这种方式封装,但是最终的样子是一样的。
在聊完上面两种方式之后。我们会发现一个问题,不能批量化操作,也就是必须在晶圆切割成每个芯片之后才能封装,成本太高。为了解决这个问题,发明了flip chip这种方式。
只所以叫做倒装,是因为在前面的封装方式中,芯片是正面朝上放到基板上面的。而flip chip是正面朝下放置。
这种封装方式有一个特殊的工艺流程,就是bump。大家可以理解为长金球(锡球)。
要想长金球,首先要做的就是重新布局芯片pad的的位置,利用和芯片制造中相同的后段技术(不懂得可以查看前面的文章这可能最简单的半导体工艺流程(一文看懂芯片制作流程)),将边缘部位的pad,安排到芯片中央来。这句话就是bump的核心目的。
大体思路就是将芯片的pad通过导线(红色)借接出来,然后在想要的位置上重新做一个pad,实际图形长这样子,中间的哪些深色部分就是导线。
大家可能会问,为什么不在芯片的pad上直接长锡球呢?因为当芯片的引脚太多时,直接长金球的方式危险系数会大大提高,很容出现两个引脚短接的情况。这样重新分配pad布局的过程叫做RDL(re-distribution layer)。准确的说它是指连接新pad和旧pad的这一层,但是大家在使用的时候,就不再区分,直接把这个过程叫做RDL。
到这里之后,后面一步就是bump,也就是长金球(锡球)。长金球的过程就不再多说了,和芯片制造工艺中的曝光,刻蚀差不多。最终形成的是这个样子。
直到长完球(bump)之后,整个wafer还没有被切割,所以这些都是批量操作,成本特别低。这些操作完成后再进行晶圆级测试。也正是因为bump过程是在wafer上制作的,所以大家都把它叫做WLCSP(wafer level CSP)。
测试完成之后再切割,把好的芯片拿出来。最后倒扣到基板上面。就这样,外部电压通过焊接点以及bump产生的球与芯片交流。
这种封装方式,最省面积,封装出来的芯片大小和原始大小相差不大。所以这种方式也是比较主流的封装方式,一般用在高端产品上。
在这一套流程中,bump的过程是最为关键的,包括球的大小,导电性等等。
通过上面两代封装技术的发展,芯片封装技术已经可以满足大部分的需求了,但市场往往是解决一个需求之后,又会产生最新的需求。通过flip chip技术,我们解决了芯片封装的大小问题。但是这种技术随着pin角增多也会出现很多麻烦,主要有下面两个方面。
1,因为芯片在尽量缩小,pin角在增多,芯片的面积已经不能装下这么多焊接点了。因为flip chip的封装方式是将所有的pin脚都集中在一颗芯片的下方,所以我们把这种方式另外取一个名字,叫做FanIn方式的封装,又叫扇入型封装方式。如下图
所以当pin角在增加的时候,芯片下面的面积根本不够摆放这么多焊接点。
2,高性能芯片需要多个芯片集成封装。现在高性能的芯片对于时序(Timing)的要求特别高,所以两颗芯片不能相距太远,这样的话会更利于两颗芯片进行信息交流,提高数据处理速度,降低发热。
在这两个需求下,产生了InFO(integrated Fan-out)的封装方式。我们先看Fan-Out是什么意思。上面我们了解了FanIn,那fanout就是刚好反过来。它是把引脚的焊接点引到芯片的外部,如下图。这样的话,即使芯片的pin角增多,也不会带来上面的困扰。
那integrated是什么意思呢?就是多个芯片集成封装。说白了,就是将多个芯片放在一起封装。将这两种技术合成在一起就是InFO封装方式。
我自己画了一个图来向大家稍微介绍一下吧。
假设有两个芯片,一个是逻辑芯片,一个是存储芯片。现在需要把这两个芯片封装在一起,而且这两个芯片的某些引脚是可以接在一起的。于是就运用了芯片制作里面的金属层布线的原理,在基板里面布线,然后将需要的连接在基板就完成,最后在基板的底部连接处焊接球。这样就可以达到,既可以将多个芯片封装在一起,也可以应付pin脚多的情况。上面这种两个芯片平行放置的方式较Multi InFo工艺。
如果像上面这种,两个芯片是垂直放置,这种叫做InFO-PoP结构。
很多人会问,这种封装方式不是面积增加了吗,毕竟占用了芯片以外的地方。其实从得到的好处来说,还是值的的。况且,InFo的封装面积可能比各个分别封装的面积总和要少。
现在这种封装技术只是使用在高端芯片中,比如苹果的A12等,普通芯片是享受不了这种待遇的,因为真的很贵。台积电封装业务的很大一部分盈利都是靠InFO来的。
还有一种封装方式是叫CoWos(Chip-on-Wafer-on-Substrate),是一种将芯片和硅片(基底)集成在一起的封装方式。这种封装方式只有台积电能做,而且是高度商业机密,技术不外露,所以我也知之甚少,在这里就不和大家介绍了。如果以后我了解到,再和大家更新。
当然第三代封装技术还有AMD推出的HBM技术,美光的HMC技术,其实都是大同小异。这里也不做介绍了。



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