摘要：由于半导体行业体系庞大，理论知识繁杂，我们将通过多个期次和专题进行全面整理讲解。本专题主要从半导体先进封装关键——Flip chip技术进行讲解，让大家更准确和全面的认识半导体地整个行业体系。我们分为半导体知识、半导体“芯”闻几个模块，欢迎各位大佬交流学习。

前几期我们讲了功率半导体模块的封装，这一期开始主要通过10几个Part讲半导体先进封装。希望大家点赞转发关注，欢迎底部留言交流学习。

接着上一期的混合键合技术，本期主要讲解混合键合，欢迎各位老板文章底部点赞留言，有商务合作和业务往来底部扫码加客服微信。

芯片键合机（Die Bonder），又称固晶机，是半导体后道封测的芯片贴装（Die attach）环节中最关键、最核心的设备。键合机主要用于裸芯片或微型电子组件的贴装，将芯片安装到引线框架（Lead frame）、热沉（Heat sink）、基板（Substrate）或直接安装到PCB板上，以此来实现芯片与外部之间的电连接。通常来说，芯片键合不仅要求封装好的芯片产品能够承受后续组装的物理压力，并消散芯片工作期间产生的热量，还要求其必须保持恒定的导电性以及实现高水平的绝缘性。因此，随着芯片尺寸变得越来越小，性能要求不断提高，键合技术变得越来越重要，键合设备也成为了半导体后道封装设备中的关键一环，也承载了键合技术的进步。

键合工艺大体可分为传统键合和先进键合两种类型：传统方法需要芯片键合机（或称固晶机）和引线键合机的同时参与。传统方法包括芯片贴装(Die Attach)和引线键合(Wire Bonding)两个环节。在芯片贴装过程中，首先需在封装基板上点上粘合剂，随后将芯片顶面朝上放置固定在基板上。然后通过引线键合机将芯片正面的pad点连接到框架或基板焊盘上，目前工艺比较成熟。由于整个键合过程分为两步，因此需要芯片键合机（或称固晶机）和引线键合机两类设备参与。

先进方法则采用IBM于60年代后期开发的倒装芯片键合(Flip Chip Bonding)，键合过程通常在芯片键合机中直接完成。Flip Chip工艺首先在芯片顶面焊盘上形成名为焊球(Solder Ball)的小凸块，随后将芯片翻转后直接通过热压焊接的方式将芯片和基板链接。与传统引线键合相比，倒装芯片能够实现更高的封装密度，更短的线路互联，减少干扰，降低容抗，从而实现更加稳定可靠的连接。由于先进方式不需要引线键合这一步骤，所以通常整个芯片贴装工艺实现可以在单台芯片键合机中完成。

引线键合是把金属引线连接到焊盘上的一种方法，即是把内外部的芯片连接起来的一种技术。之前我们有详细的讲解：

半导体行业知识专题四：功率半导体封装键合工艺（一）

倒装（FlipChip, FC）：通过将芯片颠倒封装在基板上，芯片与外部系统主要通过焊球或凸块实现链接，封装更为紧凑。具体来看，FC是在I/O pad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热，利用熔融的锡铅球与陶瓷基板相结合，当前主要应用于CPU、GPU及芯片组等产品，CPU及内存条等电子产品是最常见的应用倒装芯片技术的器件。与传统的引线键合相比，FC的芯片结构和I/O端（锡球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，在封装密度和处理速度上FC显著高于引线键合技术，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工。

图1 倒装封装利用焊球或凸块实现电连接

图2 倒装封装工艺流程

倒装键合是通过在芯片顶部形成的凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。与传统引线键合一样，倒片封装技术是一种实现芯片与基板电气连接的互连技术。然而对比引线键合，倒装键合（1）拥有更多的连接密度：引线键合只能围绕芯片四周进行引线连接，对于可进行电气连接的输入/输出（I/O）引脚的数量和位置有限制，而倒装键合可以在整个芯片正面植球，可以显著提高连接密度；（2）信号传输路径更短：倒装键合直接利用凸块（Bump）进行电信号传输，传输路径远短于引线键合，可以带来更快的计算传输能力。因此，在先进封装领域，倒装键合技术凭借其优越的电气性能和空间利用率，成为了主流键合技术，被广泛应用于CPU、GPU和高速 DRAM芯片的封装。

图3 倒装键合结构示意图

图4 引线键合和倒装键合信号传输路径对比

倒装键合主要工艺分为两种类型：间接键合和直接键合。间接键合指键合过程中芯片与基板之间有中间材料，以批量回流焊工艺（Mass Reflow，MR）和热压键合工艺（Thermo Compression，TC）为主，分别对应锡球和微铜柱凸点连接。批量回流焊工艺通过在高温下熔化接合处的锡球，将芯片与基板连接在一起；而热压键合工艺则通过向接合处施加热量和压力，利用更小的微铜柱凸点互联来实现芯片与基板间的连接。直接键合又称混合键合，是指直接通过金属铜的扩散相互连接，无需中间材料（混合键合会在之前中有详细的介绍）。

半导体行业知识专题五：先进封装关键技术——Hybrid Bonding

倒装键合凸点制作工艺是关键。芯片凸点（Bump）是FC互连中的关键组成部分之一，具有在芯片与基板间形成电连接、形成芯片与基板间的结构连接以及为芯片提供散热途径三个主要功能。最早的凸块是由IBM公司于1970年代推出的可控塌陷芯片连接技术 (Controlled-collapse Chip Connection，即C4技术)，C4 Bump可以满足具有更细密焊盘的芯片的倒装焊要求。随着电子器件体积的不断减小以及I/O密度的不断增加，传统球形C4 Bump在间距缩小时容易出现桥接问题，因此带焊帽铜柱（Cupillar with solder cap，C2 Bump）应运而生，C2技术中使用的Cu柱直径不受高度影响，可以实现更细节距凸点的制备。与此同时，凸点焊料也逐渐向无铅化、铜化方向发展，目前主流的焊料为铜柱和SnAg。

Bump（凸块）的生成是倒装焊的前置步骤：作为晶圆入料检查完成后的首道工序，凸块制造技术是先进封装的核心技术之一，也是 TSV 等先进封装技术得以进一步发展演化的基础。凸块指的是定向生长于芯片表面，与芯片焊盘直接相连或间接相连的具有金属导电特性的凸起物，具有球状、柱状和块状等不同形状。凸块工艺介于产业链前道集成电路制造和后道封装测试之间。相比于以引线键合的传统封装，倒装焊引入凸块代替引线进行连接，实现了以“以点代线”的突破。同时，凸块在往小型化发展，尺寸从最初应用在标准倒装的 100um 发展到现在最小尺寸为 5um。与传统的引线键合工艺相比，倒装焊工艺热性能优良，可靠性高，便于返修，被广泛应用于先进封装工艺中。

半导体行业知识专题五：先进封装关键技术——Bump

常规的倒装焊封装工艺包括倒装焊接和底部填充两个步骤，其中倒装焊接过程需要合适的助焊剂以增强焊料的润湿性，并且在转移的过程中能暂时固定芯片。基本的组装工艺流程包括圆片流片、制作凸点、切片、拾取、放置芯片、回流、填充等。下面几个图一起反映几个关键步骤

其中，倒装的关键技术是 Bumping（凸块）工艺。当芯片制作工序完成后，将溅镀上一层薄薄的金属层（Under Bump Metallization，简称 UBM)，而凸块被沉淀在 UBM 上。常用的凸块材料为金凸块、锡银、锡铋等，其良率的关键在于当焊盘间距缩小时，必须保持凸块尺寸的稳定性、一致性。其中关键步骤为 UBM 和凸块制作。

图5 倒装（Flip Chip）工艺流程主要分为 6 个步骤

图6 倒装芯片封装工艺流程

1）UBM 的制作：UBM 的主要作用是在于互联键合层，并阻挡 ball 材料原子扩散至下层金属材料以及粘接下层介电材料和金属层。UBM 的制造工艺主要有溅射、蒸镀、化学镀三种类型，溅射和蒸镀两种方法可以实现更好的薄膜质量，但成本高昂，化学镀因其制造成本较低，成为制备 UBM 的主流方法。化学镀的主要流程为：电镀 Al 同时用锌酸盐工艺去除 Al 盘上的氧化膜形成粘附以及扩散阻挡层；再镀 Ni 或 Cu 形成焊料湿润层；最后镀 Au 形成氧化阻挡层。在 UBM 的制备过程中需要使用清洗设备、电镀设备等。

在芯片表面金属层上制备芯片凸点时，并不是直接在芯片表面制作的。为了防止封装中的金属及污染离子向芯片表面金属层扩散造成腐蚀或形成硬脆的金属间化合物、降低互连系统的可靠性，需要在芯片表面金属层与芯片凸点之间添加凸点下金属化层 (Under Bump Metallurgy，UBM) 结构作为过渡层。UBM结构包括覆盖在芯片金属层上的粘接层、阻挡层、润湿层和抗氧化层。其中，粘接层能够增强凸点和芯片金属化层、芯片钝化层之间的粘接力，提供牢固的键合界面，典型的粘接层材料有Cr、Ti、Ni、W、TiW和锌酸盐等。阻挡层的作用是防止金属、污染离子向芯片金属层和粘接层扩散，阻挡层材料常采用Cr、W、Ti、TiW、Ni或Cr-Cu。阻挡层上面是润湿层，可以为其上的凸点提供润湿对象，与凸点发生反应生成IMC并形成键合，典型的润湿层金属有Cu、Ni、Pd和Pt。UBM的最外层是可选择使用的抗氧化层，目的是防止润湿层的氧化，主要材料为很薄的Au层。

图7 UBM（凸点下金属化层）示意图

2）凸块制作：主要方法包括蒸镀焊料凸块、电镀焊料凸块、印刷焊料凸块、钉头焊料凸块等，其中电镀法设备因成本较低成为主流工艺。在形成 UBM 之后，电镀法制备凸块的主要工艺及其所需设备为涂胶（涂胶显影设备）、凸块光刻（光刻机）、焊料电镀（电镀设备）、去胶（涂胶显影设备）、去除 UBM、回流（回流焊炉）。3）倒装芯贴装及 4）底部填充与固化：在凸块制作完毕之后，需要将芯片上的凸块与基板上的焊盘进行对位，并使用固晶机贴装。然后使用植球机和回流焊炉通过焊料回流工艺在芯片和基板焊盘间形成焊球，再在芯片与基板间的空隙中填充底充胶，最终实现芯片与基板间的电、热和机械连接。

C4 Bump制作流程：最早的FC晶圆C4凸点制造技术是IBM公司开发的蒸镀工艺，而目前最常用的方法是电镀（电化学沉积）工艺，成本效益好、良率高、速度快且凸点密度高。流程主要包括（1）采用溅射方法沉积UBM；（2）在UBM层上涂覆光刻胶，使用掩模板进行紫外线曝光，定义凸点的位置和形状；（3）在凸点位置电镀一层Cu 作为润湿层，然后电镀焊料形成bump柱体；（4）剥离光刻胶并用过氧化氢或等离子蚀刻去除其他位置多余的UBM；（5）对晶圆进行回流，在表面张力的作用下形成光滑的球型C4焊料凸点。

C2 Bump制作流程：相比C4 Bump，C2 Bump使用平整侧面、高深宽比的铜柱凸点和尺寸更小的微铜柱凸点，与圆形焊锡凸点相比，更能实现小间距，非常适合大型的芯片和I/O个数多(800个以上)的芯片。C2 Bump的制作流程与C4相似，主要区别在于电镀过程中C4是电镀焊料形成bump柱体，而C2则是电镀铜形成Cu柱体，然后再在铜柱顶端电镀一层焊料帽。

图8 C4和C2微凸点制作工艺流程

①批量回流焊工艺批量回流焊主要用于C4 Bump的键合加工。批量回流焊用于倒装芯片组装已有近50 年的历史，大多数焊料C4 Bump是在硅、陶瓷或有机衬底上批量回流的，装配过程较为简单：（1）将模具浸入助焊剂容器中，或根据产品在基底上分配助焊剂；（2）通过视觉定位系统将芯片Bump与基板的焊盘对齐；（3）将C4 Bump芯片放置在基板上，提高温度进行回流焊，在表面张力作用下芯片Bump和基板会发生自对准并形成冶金结合；（4）键合完成之后清洗助焊剂，并在空隙中填入填充材料（各类聚合物）并固化，用以平衡芯片和基板之间因热膨胀系数差异所产生的应力）

图9 批量回流焊工艺流程示意图

批量回流焊优缺点明显。根据合明科技，通常单个芯片回流焊的时间在5-10分钟，虽然时间很长，但因一个回流焊炉同时可以容纳非常大量的加工产品，所以批量处理下整体的吞吐量非常高，通常可以达到每小时几千颗芯片的产量。同时，由于， C4焊料凸点在熔融过程中的表面张力还可以帮助焊料与金属层进行自对准，在一定程度上降低了对沉积精度及贴片精度的要求。但是，常见的回流焊过程中不对芯片和基板做过多限制，这导致加热过程中芯片和基板的曲翘得不到有效的控制，使得在芯片与基板之间的距离在芯片面下的变化非常大。过大的曲翘导致NCO （noncontacted opening 虚焊）和SBB（solder ball bridging 桥接）这两类最为常见的缺陷。特别是基于回流焊的复杂多芯片，键合的良品率可能非常的低，使得在先进封装中回流焊不再是最合适的键合方式。

图10 回流焊键合出现桥接现象

② 热压键合工艺（TCB）在高密度和超细间距倒装芯片组装中运用热压键合C2的方式主要有低键合力和高键合力两种。低键合力的C2凸点热压键合较为简单，过程如下: （1）在焊料盖、基板或两者表面都涂覆助焊剂；（2）将FC拾取并对准放置在基板上，施加较小的压力将芯片固定在离底部芯片或基板一定距离的位置，施加温度熔化焊帽形成键合；（3）清洗后加入填充材料填补间隙。但随着堆叠密度的不断提升，填充材料的毛细流动性越来越低，会带来可靠性问题。

高压应力C2 TCB则必须结合NCP（非导电胶）或NCF（非导电膜）底部填充技术。根据《Status and Outlooks of Flip Chip Technology》（John H. Lau），NCP填充技术在键合前就在基板上预涂低粘度的NCP，具有出色的助熔性，有助于形成完整性出色的焊点；NCF则更适合厚度更低的晶圆级封装，直接在晶圆上覆盖一层非导电膜，切片过后直接将带有非导电膜的芯片与基板键合。因为非导电胶膜采用超细填胶配方，不仅适用于极细的毛细空间，而且还具有更好的流动性，有利于填角控制，从而实现紧密的芯片贴装。

图11 热压键合工艺流程示意图

相比批量回流焊，TCB的优点在于对芯片和基板可以实现更好的控制，缺点在于产量效率不高。根据《Fundamentals of Thermal Compression Bonding Technology and Process Materials for 2.5/3D Packages》（Sangil Lee），TCB键合设备在基板和芯片都有各自的加热装置，基板和芯片同样被真空束缚在非常平整的Bond Head上，从而最大限度地减少硅芯片和基板的翘曲。同时，TCB的步骤较为简单，工序少于回流焊。但与回流焊相比，C2凸点的热压键合只能进行单个芯片的封装，且需要冷却和加热过程，因此封装效率较低。最快的回流焊芯片贴片机可在0.5s内完成一个倒装芯片键合周期，产量效率为7200 UPH，而TCB工艺即使使用理想的设备和材料，所需的时间也可能远远超过倒装芯片（例如英特尔和ASM报告的最快TCB 过程为5秒，产量效率为成720 UPH）；同时因为凸点直径的减少，整个键合过程对设备的贴装精度提出了更高要求（往往需要精度达到5μm以上）。

图12 热压键合设备示意图（左）；TCB和回流焊产量效率对比（右）

倒装芯片技术虽然具有许多优点，但也存在一些潜在的缺点:

设计困难:倒装芯片技术需要在设计阶段考虑封装布局和连接方式，这增加了设计复杂性和挑战性。芯片和封装基板之间的连接方式需要精确控制，以确保可靠性和稳定性。成本较高:倒装芯片技术在生产过程中需要更高级别的设备和技术，以确保倒装芯片的准确安装和连接。这可能导致制造成本的增加，尤其对于规模较小的生产批量而言。散热管理挑战:倒装芯片技术中，翻转的芯片直接与封装基板接触，散热困难较大。由于倒装芯片的背面无法自由散热，需要采取额外的散热措施来保持芯片的温度稳定，否则可能出现过热的问题。机械脆弱性:由于倒装芯片技术中芯片直接暴露在外，容易受到机械应力+和物理损伤的影响。这可能导致芯片的可靠性和寿命下降，特别是在受到震动、冲击和弯曲等力量作用时。可维修性差:倒装芯片技术中，芯片直接连接在封装基板上，一旦出现故障，更换或维修芯片将更加困难。这可能导致维修成本的增加，并且对于一些应用场景可能带来挑战。

通过以下视频更好的理解整个过程：

综合来看，倒装焊工艺中需要清洗设备、电镀设备、光刻机、涂胶显影设备、固晶机、植球机、回流焊炉等设备

关于半导体制造相关的设备，后面会出一个材料耗材的专题和设备供应商的专题，大家可以持续关注，部门图片如下：

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