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封測環(huán)節(jié)系半導體整體制程的關鍵環(huán)節(jié)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 大族封測    2023-12-29

半導體元器件的制造工藝包括前道制造工藝和后道封測工藝。封測環(huán)節(jié)，是連接晶圓到元器件的橋梁，位于半導體元器件設計之后、終端產(chǎn)品之前，屬于半導體制造的后道工序。

其中封裝工藝是將芯片在基板上進行布局、固定及連接，并用可塑性絕緣介質(zhì)灌封形成電子產(chǎn)品的過程，目的是保護芯片免受損傷，保證芯片的散熱性能，以及實現(xiàn)電能和電信號的傳輸，確保系統(tǒng)正常工作；測試工藝是用專業(yè)設備，對產(chǎn)品進行功能和性能測試。

根據(jù) SEMI 對全球半導體封裝設備市場的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，封測設備占半導體設備整體市場份額的約 15%，屬于核心制程設備。隨著下游應用場景的不斷豐富，對封測環(huán)節(jié)制程技術的要求不斷提高，半導體封測逐漸步入產(chǎn)業(yè)鏈核心地帶，成為延伸摩爾定律的主要支柱之一。

在封裝制程中，每個環(huán)節(jié)、工藝階段均對應一定類型的封裝設備。其中，LED 芯片封裝設備主要包括擴晶機、固晶機、焊線機、灌膠機、分光機、編帶機等。半導體封裝設備主要包括減薄機、切割機、固晶機、焊線機等。

（1）LED 封裝領域

LED 封裝是 LED 產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵環(huán)節(jié)。通過封裝，能夠為 LED 芯片提供電輸入、機械保護及散熱途徑，實現(xiàn)光的高效、高品質(zhì)輸入。LED 領域的主要封裝工序包括固晶、焊線、灌膠、分光分色和編帶。

（2）半導體封測領域

相較于 LED 封裝領域，半導體領域封測一般從晶圓（Wafer）開始，經(jīng)過減薄和劃片工序將晶圓切成晶片，并達到封裝所需的厚度。但在晶片階段，半導體領域封測同樣需要將芯片固定在特定載體上，并且通過鍵合線將晶片與特定載體連接，形成與外界相通的信號傳輸渠道。因此，半導體領域封測也包含固晶及焊線工序，且該等工序在設備及技術方面與 LED 領域封裝存在一定共同性，主要差異在于加工精度。

（3）封裝互連技術的分類

根據(jù)芯片封裝互連技術的不同，半導體封裝互連技術主要分為引線鍵合（適用于引腳數(shù) 3-257）、載帶自動焊（適用于引腳數(shù) 12-600）和倒裝焊（適用于引腳數(shù) 6-16000）。

1）引線鍵合

引線鍵合工藝流程：在芯片電極(Pad)和支架引腳以線鍵合封裝(Lead)上，通過鍵合線的超聲波熱壓焊接，形成可靠的電氣連接；芯片電極與金線連接處為金球焊接，支架與金線連接處為鍥形魚尾連接。

目前適用引線鍵合互連的封裝技術主要為 SIP、DIP、SOP、QFP、QFN、WB-BGA、3D/2.5D 封裝、SiP 等。

2）載帶自動焊

載帶自動焊（Tape Automated Bonding，簡稱 TAB）是一種將晶片安裝和互連到柔性金屬化聚合物載帶上的組裝技術，屬于芯片引腳框架的一種互連工藝。TAB 的工藝流程為：首先在高聚物上做好元件引腳的導體圖樣，其次將晶片按其鍵合區(qū)對應放在上面，再將芯片上的凸點與載帶上的焊點焊接在一起，通過熱電極一次將所有的引線進行批量鍵合，最后對焊接后的芯片進行密封保護。

3）倒裝焊

倒裝焊是在芯片的電極上預制凸點，再將凸點與基板或引線框架對應的電極區(qū)相連。集成電路芯片的有源面朝下與載體或基板進行連接。芯片和基板之間的互連通過芯片上的凸點結構和基板上的鍵合材料來實現(xiàn)，這樣可以同時實現(xiàn)機械互連和電學互連。對于高密度的芯片，倒裝焊在性能上具備較強的優(yōu)勢。

通常載帶自動焊和倒裝焊互聯(lián)的電學性能好于引線鍵合，但是都需要額外的設備。因此，對于 I/O 數(shù)目較少的芯片，載帶自動焊和倒裝焊會導致產(chǎn)品成本較高，另外，在3D 封裝中，堆疊的芯片不能都倒扣在封裝體上，只能通過引線鍵合或 TSV 與封裝體之間進行互連。

基于上述原因，引線鍵合一直作為芯片互連的主流技術，是芯片電學互連中重要的實現(xiàn)手段及方法。

（4）引線鍵合為封測環(huán)節(jié)核心工藝，隨材料及技術的升級不斷演變

引線鍵合技術有著兼容性強、成本低，可靠性高、技術成熟等優(yōu)點，是封裝技術的主力，目前超過 90%的芯片互連封裝依靠引線鍵合技術完成，未來引線鍵合將在多數(shù)芯片封裝中作為主要的互聯(lián)技術長期存在，并持續(xù)應用于大量封裝類型。2015-2021 年，全球引線鍵合市場規(guī)模年均復合增長率為 2.1%，維持穩(wěn)步增長。

其余未應用引線鍵合技術的封裝，多用于小部分對集成度和精度要求較高或具有特殊性能的芯片封裝環(huán)節(jié)中，應用場景相對有限。隨著未來焊線機及焊線材質(zhì)的多元化，結合新材料、新工藝、新技術的應用，引線鍵合將進入更多的封裝工藝流程中，滿足半導體封裝的大量需求。