半导体封装工艺流程概述

半导体芯片封装是指利用膜技术及细微加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布局粘贴固定及连接，引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。这一工艺是连接芯片与外部世界的桥梁，在整个半导体制造过程中扮演着至关重要的角色，不仅保护着脆弱的芯片免受外界环境的侵害，还确保芯片能够正常工作并与外部电路有效连接。

从整体流程来看，半导体封装可以大致分为前段（Front End）和后段（Back End）。前段主要是晶圆制造（Wafer Fabr ication）相关的工序，而后段则包括晶圆测试（wafer Probe/Sorting）、芯片组装（Assemble）、测试（Test）以及制成成品（Finish Goods）等一系列工序。在这些主要工序之下，又包含了众多具体的操作流程。例如，在晶圆制造过程中，涉及到光刻、蚀刻、掺杂等复杂工艺，这些工艺精确地在晶圆上构建出各种电路元件，如晶体管、电容、电阻等，为芯片的功能实现奠定基础。晶圆测试阶段则是对晶圆上的芯片进行初步检测，筛选出有缺陷的芯片，提高成品率。芯片组装环节是将合格的芯片安装到封装基板上，并通过引线键合或倒装芯片等技术实现芯片与基板的电气连接。测试工序包括初始测试（Initial Test）和最终测试（Final Test），对封装后的芯片进行全面的性能检测，确保产品符合质量标准，最后成为可以销售的成品芯片。

半导体封装工艺的关键步骤

晶圆制造（Wafer Fabr ication）

晶圆制造是半导体封装的前端重要工序，是在硅晶圆上构建集成电路的过程。这个过程非常复杂，包含多个关键步骤。首先是光刻工艺，光刻就像是在晶圆上进行“印刷”，通过使用光刻胶和掩模版，将设计好的电路图案精确地转移到晶圆表面，光刻的精度对于芯片的性能和集成度有着至关重要的影响，例如在先进的制程中，光刻技术能够实现纳米级别的电路图案制作。

其次是蚀刻工艺，蚀刻是将光刻后暴露的不需要的材料去除，形成精确的电路结构。有湿法蚀刻和干法蚀刻两种方式，湿法蚀刻利用化学溶液进行腐蚀，而干法蚀刻则是利用等离子体与材料发生反应来去除不需要的部分。掺杂工艺也是不可或缺的，通过将特定的杂质原子引入到晶圆的特定区域，改变硅的电学性质，从而形成P型或N型半导体区域，构建出晶体管等有源器件。

晶圆测试（wafer Probe/Sorting）

晶圆测试是对制造好的晶圆进行初步检测的环节。在这个过程中，使用专门的测试设备对晶圆上的每个芯片进行电气性能测试，例如测试芯片的电路是否连通、各项电学参数是否符合设计要求等。测试探针会与晶圆上芯片的电极接触，施加相应的电信号并检测芯片的响应。通过这个测试，可以筛选出有缺陷的芯片，避免将不良芯片进行后续的封装工序，从而提高整个封装流程的效率和产品的最终良率。

芯片组装（Assemble）

芯片组装环节将经过测试的合格芯片安装到封装基板上。其中一种常见的方式是引线键合（Wire Bonding），通过极细的金属丝（如金线）将芯片的电极和封装基板上的引脚连接起来，实现电气连接。这个过程需要高精度的设备来控制金属丝的键合位置和强度，确保连接的可靠性。另一种方式是倒装芯片（Flip - Chip）技术，芯片正面朝下直接与封装基板上的焊盘相连接，这种方式可以实现更短的电气连接路径，提高信号传输速度和降低信号延迟，同时也能增加芯片的集成度，但对芯片和基板的表面平整度以及焊接技术要求更高。

封装（Packaging）

封装步骤是为芯片提供物理保护和电气连接接口。在这个过程中，会使用到各种封装材料，如塑料、陶瓷或金属等，将芯片和连接部分包裹起来。例如，采用塑料封装时，会通过注塑成型的方法将芯片和基板包裹在塑料外壳中，保护芯片免受外界的机械冲击、湿气、灰尘等影响。同时，封装过程中还会形成接线端子，方便芯片与外部电路板进行连接。

测试（Test）

测试包括初始测试（Initial Test）和最终测试（Final Test）。初始测试在封装后不久进行，主要是对封装过程中可能引入的缺陷进行检测，如检查封装是否损坏、电气连接是否良好等。最终测试则是对芯片进行全面的性能测试，包括功能测试、性能指标测试（如速度、功耗等）以及可靠性测试等。可靠性测试可能会模拟芯片在不同工作环境下的运行情况，如高温、低温、高湿度等环境，确保芯片在实际使用中能够稳定可靠地工作。

后固化（Post Mold Cure）、修剪（Trim）、成型（Form）和电镀（Plating）

后固化是针对一些使用了树脂等材料进行封装的芯片，在封装后进行加热处理，使封装材料完全固化，提高封装的稳定性和可靠性。修剪工序是将封装后的芯片多余的部分（如引线框架的多余引脚等）去除，使芯片达到合适的外形尺寸。成型工序则是对芯片进行最后的外形塑造，使其符合特定的封装形式要求。电镀是在芯片的引脚或其他需要的部位镀上一层金属（如金、锡等），提高引脚的导电性、可焊性和抗氧化性。

老化（Burn - In）

老化是将芯片在特定的环境条件下（如高温、高电压等）进行长时间的通电运行，加速芯片的老化过程。通过这个过程，可以提前筛选出那些在早期使用中可能出现故障的芯片，进一步提高产品的可靠性，确保交付到用户手中的芯片具有较高的质量和稳定性。

常见半导体封装技术分析

双列直插封装（DIP，Dual In - line Package）

双列直插封装是一种传统的封装技术。它的特点是具有两排引脚，芯片被封装在一个塑料或陶瓷的外壳中，引脚从外壳两侧引出。这种封装形式在早期的电子设备中广泛应用，例如在一些简单的微控制器、逻辑电路芯片等。DIP封装的优点是安装方便，通过将引脚插入印刷电路板（PCB）的对应孔中，然后进行焊接即可。同时，它的引脚间距相对较大，便于手工焊接和电路板的维修。然而，随着电子设备向小型化、高性能化发展，DIP封装的缺点也逐渐显现，例如它的封装体积较大，占用较多的电路板空间，并且引脚数量有限，难以满足复杂芯片的电气连接需求。

小外形封装（SOP，Small Outline Package）

小外形封装是一种表面贴装型（Surface - Mount）封装技术。与DIP封装相比，SOP封装的体积明显减小，它的引脚排列在封装的两侧，采用表面贴装技术直接焊接在PCB表面。这种封装形式适用于对空间要求较高的电子设备，如手机、平板电脑等便携式设备中的一些小型芯片。SOP封装具有较好的电气性能，由于引脚较短，信号传输路径短，能够减少信号延迟和串扰。同时，它的生产效率较高，适合大规模自动化生产。

方形扁平封装（QFP，Quad Flat Package）

方形扁平封装的引脚分布在封装的四个侧面，引脚数量较多，可以满足复杂芯片对更多电气连接的需求。QFP封装的芯片在电路板上的安装密度较高，能够在较小的电路板面积上集成更多的功能。但是，QFP封装的引脚非常纤细且间距很小，这对焊接工艺提出了很高的要求，在生产过程中容易出现引脚短路、虚焊等问题。为了提高焊接的可靠性，在焊接QFP封装芯片时，通常需要采用高精度的贴片机和回流焊设备。

球栅阵列封装（BGA，Ball Grid Array）

球栅阵列封装是一种先进的封装技术。它的引脚以球形焊点的形式分布在封装的底部，与PCB通过这些球形焊点进行电气连接。BGA封装的优点众多，首先它的引脚数量可以非常多，能够满足高性能芯片的大量电气连接需求。其次，由于引脚是球形焊点，分布在封装底部，使得封装的体积可以做得更小，提高了芯片在电路板上的集成度。此外，BGA封装的信号传输性能较好，引脚电感小，能够实现高速信号的传输。然而，BGA封装也存在一些缺点，例如它的封装成本相对较高，对PCB的设计和制造要求较高，而且一旦焊接出现问题，维修难度较大。

芯片尺寸封装（CSP，Chip Scale Package）

芯片尺寸封装是一种接近芯片原始尺寸的封装技术。CSP封装尽可能地减小了封装体积，使得封装后的芯片尺寸与芯片本身的尺寸非常接近，从而在电路板上占用极小的空间。这种封装技术具有良好的电气性能，信号传输路径短，能够满足高速、高性能芯片的封装需求。同时，CSP封装还具有较好的散热性能，因为它的封装结构相对简单，热量更容易散发出去。CSP封装适用于对空间和性能要求都非常高的应用场景，如一些高端的移动设备、可穿戴设备等。

系统级封装（SiP，System in Package）

系统级封装是将多个不同功能的芯片（如处理器、存储器、传感器等）以及其他无源元件（如电容、电阻等）集成在一个封装内，形成一个完整的系统。SiP封装可以大大缩小整个系统的体积，提高系统的集成度和可靠性。通过将不同功能的芯片集成在一起，可以减少芯片之间的信号传输延迟，提高系统的性能。此外，SiP封装还可以根据不同的应用需求灵活组合不同的芯片和元件，具有很强的定制性。这种封装技术在现代智能手机、物联网设备等领域得到了广泛的应用。

半导体封装工艺流程实例：以晶圆级封装（WLCSP）为例

扇入型晶圆级芯片封装（Fan - In WLCSP）

1. 晶圆准备

• 首先，需要对晶圆进行清洗和预处理，去除晶圆表面的杂质和污染物，确保晶圆表面的平整度和清洁度。这一步骤对于后续的工艺步骤至关重要，因为任何微小的杂质都可能影响到芯片的性能和封装的质量。

• 对晶圆进行光刻，确定芯片的有源区和连接区域。光刻工艺使用光刻胶和掩模版，通过曝光和显影等步骤，将设计好的图案转移到晶圆表面。在扇入型晶圆级芯片封装中，光刻的精度决定了芯片的尺寸和性能，例如精确控制芯片的有源区大小可以影响晶体管的性能，进而影响整个芯片的功能。

2. 重布线层（RDL）制作

• 在光刻确定的区域内制作重布线层。重布线层的作用是重新规划芯片的电气连接，将芯片内部的电路连接到外部的引脚或焊盘上。这一过程通常采用金属沉积（如溅射）和光刻、蚀刻等工艺相结合的方式。首先通过溅射工艺在晶圆表面沉积一层金属（如铜），然后再通过光刻和蚀刻工艺形成所需的布线图案。重布线层可以有效地解决芯片内部电路与外部封装引脚之间的连接问题，提高芯片的集成度和可封装性。

3. 形成金属凸点（Bump）

• 在重布线层的末端形成金属凸点，这些金属凸点将作为芯片与外部电路连接的接口。金属凸点的制作方法有多种，常见的是电镀工艺。通过电镀在预定的位置生长出金属凸点（如锡铅凸点或无铅凸点），金属凸点的大小、形状和间距都需要精确控制，以确保良好的电气连接和机械可靠性。在扇入型晶圆级芯片封装中，金属凸点的布局需要根据芯片的设计和封装要求进行优化，例如要考虑到信号传输的完整性和散热等因素。

4. 晶圆切割

• 完成上述工艺步骤后，对晶圆进行切割，将晶圆上的芯片分离成单个的芯片。晶圆切割需要使用高精度的切割设备，如钻石切割刀，以确保切割的精度和芯片的完整性。切割过程中要避免对芯片造成机械损伤，因为任何微小的损伤都可能导致芯片失效。

5. 最终测试

• 对切割后的单个芯片进行最终测试，包括电气性能测试、功能测试和可靠性测试等。电气性能测试主要检测芯片的各项电学参数，如电压、电流、电阻等是否符合设计要求；功能测试则是对芯片的各种功能进行验证，确保芯片能够正常工作；可靠性测试可能会模拟芯片在不同环境条件下（如高温、低温、高湿度等）的运行情况，以评估芯片的稳定性和耐用性。只有通过所有测试的芯片才能够作为合格产品进入市场。

扇出型晶圆级芯片封装（Fan - Out WLCSP）

1. 晶圆准备与芯片贴装

• 同样先对晶圆进行清洗和预处理，保证晶圆表面的质量。然后将经过测试的芯片放置在临时的载板上，芯片之间保持一定的间距。这个载板的作用是在后续的工艺过程中为芯片提供支撑。

• 在芯片周围填充绝缘材料，如环氧树脂等，形成一个整体的结构。填充材料的目的是保护芯片，并为后续的重布线层制作提供一个平整的表面。填充过程需要确保材料均匀分布，避免出现空洞或气泡等缺陷，因为这些缺陷可能会影响到芯片的散热和电气性能。

2. 重布线层（RDL）制作

• 与扇入型类似，在填充后的结构上制作重布线层。通过金属沉积、光刻和蚀刻等工艺，在芯片和填充材料的表面构建重布线层，将芯片的电路连接到外部的引脚或焊盘上。在扇出型晶圆级芯片封装中，由于芯片之间有填充材料，重布线层可以在更大的区域内进行布局，从而可以实现更多的引脚引出，提高芯片的封装密度和功能扩展性。

3. 形成金属凸点（Bump）

• 使用电镀或其他合适的工艺在重布线层的末端形成金属凸点。金属凸点的要求与扇入型类似，需要精确控制其大小、形状和间距。在扇出型晶圆级芯片封装中，金属凸点的布局可以更加灵活，根据封装的具体需求进行优化，例如可以根据不同芯片的功能需求分配不同的引脚连接。

4. 去载板与晶圆切割

• 将临时载板去除，然后对整个结构进行晶圆切割，将每个封装好的芯片分离出来。这个过程同样需要高精度的切割设备，并且要注意避免对芯片造成损伤。

5. 最终测试

• 对切割后的芯片进行全面的测试，包括电气性能测试、功能测试和可靠性测试等，只有合格的芯片才能进入市场。

半导体封装工艺的发展趋势

小型化

随着电子设备不断向小型化、便携化发展，如智能手机、可穿戴设备等，对芯片封装的小型化要求越来越高。传统的封装形式由于体积较大，难以满足这些设备对空间的严格要求。因此，封装技术朝着更小的封装尺寸发展，例如芯片尺寸封装（CSP）和系统级封装（SiP）等技术的发展就是为了实现更小的封装体积。CSP封装尽可能地减小了封装体积，使其接近芯片本身的尺寸，而SiP封装则通过将多个芯片和元件集成在一个封装内，大大缩小了整个系统的体积。这种小型化的趋势不仅可以节省电路板空间，还能够降低整个电子设备的体积和重量。

高集成度

现代电子设备功能日益复杂，需要在有限的空间内集成更多的功能。半导体封装技术通过提高集成度来满足这一需求。一方面，增加单个芯片的功能密度，例如在芯片内部集成更多的晶体管、电路模块等；另一方面，通过系统级封装（SiP）等技术将多个不同功能的芯片集成在一起，形成一个完整的系统。例如，在智能手机中，将处理器、存储器、传感器、射频芯片等多个功能芯片集成在一个封装内，实现了高度的功能集成。高集成度的封装技术可以减少芯片之间的信号传输延迟，提高系统的性能，同时也有助于降低整个系统的成本。

高性能

高性能是半导体封装工艺发展的另一个重要趋势。这包括提高芯片的电气性能、散热性能等方面。在电气性能方面，例如降低信号传输延迟、提高信号完整性等。通过采用先进的封装技术，如倒装芯片（Flip - Chip）技术和球栅阵列封装（BGA）技术，可以实现更短的电气连接路径，从而减少信号传输过程中的延迟和损耗。在散热性能方面，随着芯片的集成度和性能的提高，芯片产生的热量也越来越多，如果不能及时散热，将会影响芯片的性能和可靠性。因此，新型的封装技术注重改善散热性能，例如采用散热性能更好的封装材料、优化封装结构以增加散热路径等。

三维封装（3D封装）

三维封装是一种新兴的封装技术趋势，它是将多个芯片在垂直方向上堆叠起来，形成三维的结构。这种封装方式可以大大提高芯片的集成度，在相同的平面面积上实现更多的功能。例如，通过3D封装，可以将处理器芯片和存储器芯片垂直堆叠，实现高速的数据传输，减少数据传输的延迟。3D封装技术涉及到硅通孔（TSV，Through - Silicon Vias）技术等关键技术，硅通孔技术可以在芯片之间实现垂直方向的电气连接，为3D封装提供了重要的技术支撑。

异构集成

异构集成是指将不同类型、不同制程、不同功能的芯片集成在一起的技术。这种集成方式可以充分发挥各种芯片的优势，实现更复杂的功能。例如，将采用不同制程制造的高性能处理器芯片和低功耗传感器芯片集成在一起，满足特定应用场景对性能和功耗的综合要求。异构集成可以通过系统级封装（SiP）等技术来实现，它是未来半导体封装技术发展的一个重要方向。

先进半导体封装工艺流程介绍

倒装芯片封装（Flip - Chip Packaging）

1. 芯片准备

• 首先对芯片进行处理，在芯片的正面（有源区）

芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

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