一、先进封装Bumping技术基础介绍

先进封装中的Bumping技术（凸块制造技术）是现代半导体封装领域的关键技术之一。

• 技术起源与发展历程

• Bumping技术起源于IBM在20世纪60年代开发的C4工艺，即可控坍塌芯片连接技术。该技术使用金属共熔凸点将芯片直接焊在基片的焊盘上，这是集成电路凸块制造技术的雏形，也是实现倒装封装技术的基础，但当时这种封装方式成本极高，仅用于高端IC的封装，限制了其广泛使用。例如在当时，这种技术主要应用于高端服务器芯片等对性能要求极高的领域，因为其他领域难以承受高昂的成本。

• 随着时间的推移，C4工艺逐渐优化，如采用在芯片底部添加树脂的方法，增强了封装的可靠性，促使低成本的有机基板得到发展，使得FC技术能在集成电路以及消费电子器件中以较低成本使用。在20世纪80年代到21世纪初，集成电路产业从日本向韩国、中国台湾转移，国际分工深化，凸块制造技术由蒸镀工艺转变为溅镀与电镀相结合的凸块工艺，大幅缩小了凸块间距，提高了产品良率。近年来，芯片集成度提高，细节距和极细节距芯片出现，推动Bumping技术朝着高密度、微间距方向发展，比如现在一些高端智能手机芯片的封装就对Bumping技术的高密度、微间距特性有较高要求。

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• 技术的基本原理与作用

• Bumping技术是在芯片上制作凸块，凸块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。这些凸块通过在芯片表面制作金属凸块提供芯片电气互连的“点”接口，广泛应用于FC（倒装）、WLP（晶圆级封装）、CSP（芯片级封装）、3D（三维立体封装）等先进封装形式。它介于产业链前道集成电路制造和后道封装测试之间，是晶圆制造环节的延伸，也是实施倒装封装工艺的基础及前提。例如在倒装封装中，凸块起到了连接芯片和基板的关键作用，代替了传统以引线作为键合方式的封装中的引线，实现了“以点代线”的突破，使得芯片与基板之间的连接更为紧凑和高效。

• 主要的凸块类型及特点

• 金凸块（Gold Bumping）：是一种利用金凸块接合替代引线键合实现芯片与基板之间电气互联的制造技术，主要用于显示驱动芯片封装，少部分用于传感器、电子标签类产品。例如，目前LCD、AMOLED等主流显示面板的驱动芯片都离不开金凸块制造工艺。其工艺流程相对复杂，后续可通过倒装工艺将芯片倒扣在玻璃基板、柔性屏幕或卷带上，利用热压合或者透过导电胶材使凸块与线路上的引脚结合起来。

• 铜镍金凸块（CuNiAu Bumping）：可优化I/O设计、大幅降低了导通电阻。凸块主要由铜、镍、金三种金属组成，在集成电路封测领域属于新兴先进封装技术，是对传统引线键合封装方式的优化方案。例如电源管理芯片需要具备高可靠、高电流等特性，且常在高温环境下使用，铜镍金凸块可满足这些要求并大幅降低导通电阻，因此主要应用于电源管理类芯片。它可以通过大幅增加芯片表面凸块的面积，在不改变芯片内部原有线路结构的基础上，对原有芯片进行重新布线，大大提高了引线键合的灵活性，并且由于铜的占比相对较高，具有天然的成本优势。

• 铜柱凸块（Cu Pillar）：是利用铜柱接合替代引线键合实现芯片与基板之间电气互联的制造技术。这是新一代芯片互连技术，后段适用于倒装的封装形式，应用十分广泛。例如在覆晶封装芯片的表面制作焊接凸块，以代替传统的打线封装，可以缩短连接电路的长度、减小芯片封装体积，使其具备较佳的导电、导热和抗电子迁移能力。其制造主要步骤包括再钝化、真空溅镀、黄光、电镀、蚀刻等。

• 锡凸块（Sn Bumping）：利用锡接合替代引线键合实现芯片与基板之间电气互联。锡凸块结构主要由铜焊盘和锡帽构成（一般配合再钝化和RDL层），锡凸块一般是铜柱凸块尺寸的3 - 5倍，球体较大，可焊性更强（也可通过电镀工艺，即电镀高锡柱并回流后形成大直径锡球），并可配合再钝化和重布线结构，主要用于FC制程。多应用于晶圆级芯片尺寸封装，可以达到小尺寸封装，满足封装轻、薄、短、小的要求。

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二、先进封装Bumping技术的工作原理

• 凸块的制作过程

• 凸块制造过程一般是基于定制的光掩模进行的。以常见的制作流程为例，首先是在芯片表面进行再钝化处理，这一步骤是为了保护芯片表面免受后续工艺的影响，同时也为后续的金属沉积提供合适的表面状态。接着进行真空溅镀，通过在真空环境下，利用离子轰击靶材，使金属原子沉积在芯片表面，形成一层薄薄的金属膜，这层金属膜可能是凸块制作的基础层，如铜层等。然后是黄光工艺，黄光工艺类似于光刻技术，通过光刻胶的涂覆、曝光、显影等步骤，将设计好的凸块图案转移到芯片表面的金属膜上，确定凸块的位置和形状。之后进行电镀工艺，在已经确定好图案的区域进行电镀，使金属原子不断沉积，逐渐形成凸起的凸块结构。最后进行蚀刻工艺，去除不需要的金属部分，从而得到最终的凸块结构。不同类型的凸块在具体工艺参数和步骤上可能会有所差异，例如金凸块、铜柱凸块等在电镀的金属材料和工艺控制上会根据各自的需求进行调整。

• 芯片与基板的连接方式

• 在芯片与基板的连接方面，Bumping技术提供了一种高效的“点连接”方式。以倒装芯片封装为例，在芯片上制作好凸块后，通过将芯片倒扣在基板上，使凸块与基板上对应的焊盘对准。然后可以采用热压合的方式，利用高温和压力使凸块与焊盘之间的金属原子相互扩散，形成良好的电气连接；或者也可以使用导电胶材，将凸块与线路上的引脚结合起来。这种连接方式相比于传统的引线键合方式具有很多优势。传统引线键合是通过金属丝将芯片和基板连接起来，连接线路较长，而Bumping技术以点代线，大大缩短了连接电路的长度。例如在一些高频高速信号传输的芯片封装中，较短的连接路径可以减少信号传输延迟，提高信号传输的速度和质量。同时，凸块与基板之间的连接在机械性能上也更为稳定，能够承受一定程度的机械应力，提高了封装的可靠性。而且这种连接方式有利于提高芯片的端口密度，因为凸块可以在芯片表面更密集地排列，满足现代芯片对于高密度I/O接口的需求。

• 信号传输与电气特性

• 从信号传输的角度来看，Bumping技术对提升芯片的电气性能有着重要作用。由于凸块提供了直接的电气连接点，信号在芯片和基板之间传输时，不需要经过较长的引线，减少了信号的衰减和失真。在高速数字信号传输中，信号的上升沿和下降沿时间很短，如果传输路径过长或者存在较多的寄生参数（如电感、电容等），就会导致信号波形的畸变，影响信号的完整性。而Bumping技术的短连接路径和低寄生参数特性，使得信号能够更快速、准确地传输。例如在一些高性能处理器芯片的封装中，Bumping技术能够确保数据在芯片和外部电路之间的高速传输，满足处理器对大量数据快速处理的需求。在电气特性方面，不同类型的凸块也有各自的优势。如铜柱凸块具有较好的导电和导热性能，能够有效地将芯片产生的热量传导出去，同时也能保证较低的电阻，减少电能在传输过程中的损耗；而金凸块在某些对化学稳定性要求较高的应用场景中，能够提供良好的抗腐蚀性能，确保长期稳定的电气连接。

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三、先进封装Bumping技术的优势和局限性

• 优势

• 一方面，Bumping技术实现的芯片与基板的连接更为稳固。凸块与基板之间的连接是通过金属原子的扩散或者导电胶的粘结实现的，这种连接方式能够承受一定的机械应力，如在芯片受到振动、冲击或者温度变化引起的热膨胀和收缩时，凸块连接不容易松动或断裂。另一方面，由于凸块的存在，可以减少芯片与基板之间因接触不良而产生的电气故障。例如在一些汽车电子芯片的封装中，由于汽车行驶过程中的颠簸和温度变化较大，采用Bumping技术可以提高芯片封装的可靠性，保证汽车电子系统的稳定运行。

• 许多凸块材料（如铜柱凸块等）具有良好的热传导性能。在芯片工作过程中，会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量传导出去，就会导致芯片温度过高，影响芯片的性能和可靠性。Bumping技术中的凸块可以作为热量传导的通道，将芯片产生的热量快速传递到基板或散热器上。例如在一些高性能图形处理芯片（GPU）的封装中，通过Bumping技术连接的芯片能够更有效地散热，保证芯片在高负荷运行时的稳定性。此外，良好的热传导性也有助于降低芯片内部的温度梯度，减少因热应力而产生的芯片损坏风险。

• 凸块代替了原有的引线，大大缩短了信号传输路径。信号传输路径的缩短带来了多方面的好处。首先，减少了信号延迟，在高速信号传输中，信号每经过一段传输线都会产生一定的延迟，而较短的路径可以显著降低这种延迟。例如在一些高频通信芯片的封装中，采用Bumping技术可以将信号延迟降低到纳秒级甚至更小，提高了信号传输的速度和效率。其次，减少了信号传输过程中的干扰，因为较短的路径意味着较少的电磁干扰源，同时也降低了信号反射的可能性，使得信号完整性得到提高。这对于一些对信号质量要求极高的应用，如高速数据中心芯片的封装，非常关键。

• Bumping技术允许芯片拥有更高的端口密度。在传统的引线键合封装方式中，引线的尺寸和间距限制了芯片端口的密集程度。而Bumping技术通过在芯片表面制作微小的凸块，这些凸块可以更紧密地排列，大大增加了单位面积上的连接点数量。例如，在一些先进的微处理器芯片封装中，通过Bumping技术可以实现数千个甚至更多的I/O接口，满足了现代芯片功能日益复杂、对外部连接需求不断增加的要求。这对于缩小芯片封装尺寸、提高芯片集成度具有重要意义，使得更多的功能可以集成在更小的封装空间内，如在一些可穿戴设备的芯片封装中，小尺寸、高密度的封装能够满足设备对小型化和多功能的需求。

• 实现高密度封装

• 改善信号传输性能

• 具备优良的热传导性

• 提高封装可靠性

• 局限性

• 不同的凸块材料与芯片、基板材料之间可能存在兼容性问题。例如，某些凸块材料在与特定的芯片材料接触时，可能会发生化学反应，导致接触电阻增大或者连接可靠性下降。在一些复杂的多芯片封装或者异构集成封装中，可能会涉及到多种不同的材料体系，确保各种材料之间的兼容性是一个挑战。此外，在高温、高湿度等特殊环境下，材料之间的兼容性问题可能会更加突出，影响封装的长期稳定性。

• 凸块的制作需要高精度的工艺控制。例如，在凸块的电镀过程中，要精确控制电镀的厚度、均匀性等参数，如果电镀不均匀，可能导致凸块的高度不一致，影响芯片与基板的连接质量。在黄光工艺中，光刻胶的涂覆、曝光和显影等步骤也需要极高的精度，任何微小的偏差都可能导致凸块图案的缺陷。此外，随着芯片集成度的不断提高，对凸块的尺寸和间距要求越来越小，如现在一些先进封装要求凸块间距推进至10μm以下，这对工艺的稳定性和可重复性提出了巨大的挑战。工艺难度的增加不仅会导致产品的良率降低，还会增加制造成本和生产周期。

• Bumping技术的成本相对较高，这在一定程度上限制了它的广泛应用。首先，凸块制造过程涉及到复杂的工艺步骤，如定制光掩模、真空溅镀、电镀等，这些工艺需要高精度的设备和严格的工艺控制，设备的购置和维护成本高昂。例如，高精度的电镀设备和光刻设备价格昂贵，而且需要专业的技术人员进行操作和维护。其次，一些用于制作凸块的材料（如金等）本身成本较高，这也增加了整体的制造成本。在一些对成本较为敏感的大规模消费电子市场，如普通的低端手机芯片封装，过高的成本可能使得厂商更倾向于选择传统的封装技术。

• 成本较高

• 工艺难度较大

• 材料兼容性问题

四、先进封装Bumping技术的应用案例

• 在移动设备芯片封装中的应用

• 在现代智能手机和平板电脑等移动设备中，Bumping技术发挥着重要作用。以智能手机中的应用处理器（AP）芯片为例，这些芯片功能复杂，需要与多个外部组件（如内存、基带芯片、传感器等）进行高速通信和数据传输。Bumping技术的高密度端口特性能够满足AP芯片众多的I/O接口需求，实现与其他芯片的高效连接。例如，通过Bumping技术将AP芯片与高速内存芯片进行倒装封装连接，可以大大提高数据传输速度，从而提升整个手机系统的运行速度。同时，移动设备对小型化和轻薄化的要求极高，Bumping技术有助于实现芯片的小尺寸封装，如采用锡凸块或铜柱凸块技术，可以使芯片封装在满足性能要求的同时，体积更小、重量更轻，符合移动设备的设计需求。此外，在移动设备的摄像头芯片封装中，Bumping技术也能提高芯片与基板之间的连接可靠性，保证摄像头在各种环境下（如拍摄过程中的振动、温度变化等）都能正常工作。

• 在高性能计算芯片封装中的应用

• 在高性能计算领域，如数据中心的服务器芯片和超级计算机芯片等，Bumping技术是实现高性能封装的关键。对于服务器芯片而言，大量的数据处理需要芯片具备高速的信号传输能力和高端口密度。Bumping技术通过缩短信号传输路径和提高端口密度，能够满足服务器芯片对大量数据快速传输的需求。例如，在一些多核处理器芯片的封装中，采用Bumping技术可以实现各个核心之间以及核心与外部存储、网络接口等的高速连接，提高整个服务器系统的计算性能。在超级计算机芯片中，Bumping技术的优良热传导性有助于解决芯片高功率运行时的散热问题。由于超级计算机芯片运算速度极快，产生的热量巨大，良好的热传导通道可以保证芯片在安全的温度范围内运行，避免因过热而导致的性能下降或芯片损坏。

• 在汽车电子芯片封装中的应用

• 汽车电子系统对芯片封装的可靠性要求极高，因为汽车行驶过程中会面临各种复杂的环境条件，如振动、高温、低温、潮湿等。Bumping技术在汽车电子芯片封装中的应用主要体现在提高可靠性方面。例如，汽车发动机控制单元（ECU）芯片需要在高温、振动的环境下稳定工作，采用Bumping技术可以确保芯片与基板之间的稳固连接，减少因振动导致的电气连接故障。同时，在汽车的自动驾驶系统芯片封装中，Bumping技术的信号传输性能优势可以保证芯片与传感器、控制器之间的高速、稳定通信，提高自动驾驶系统的安全性和可靠性。而且，随着汽车电子朝着智能化、集成化方向发展，Bumping技术的高密度封装特性也有助于在有限的空间内集成更多的功能芯片，如将多个传感器芯片、控制芯片等集成封装在一起，提高汽车电子系统的集成度。

五、先进封装Bumping技术的未来发展趋势

• 朝着更小尺寸和更高密度发展

• 随着芯片技术的不断进步，对Bumping技术的尺寸和密度要求也越来越高。未来，凸块的尺寸将进一步缩小，间距也将更小。例如，目前已经有研究在探索将凸块间距推进至10μm以下甚至更小的尺寸，这将使得芯片能够在单位面积上集成更多的I/O接口，进一步提高芯片的集成度。这种趋势在人工智能芯片、5G通信芯片等对高性能和高集成度有强烈需求的领域尤为明显。更小尺寸和更高密度的Bumping技术将有助于实现芯片的小型化，满足未来电子设备不断缩小体积的需求，同时也能提高芯片的性能，如提高信号传输速度、降低功耗等。为了实现这一目标，需要不断研发新的工艺技术和设备，提高工艺的精度和稳定性，如开发更先进的光刻技术用于凸块图案的制作，以及更精确的电镀和蚀刻技术来控制凸块的尺寸和形状。

• 与其他先进封装技术的融合

• Bumping技术将与其他先进封装技术更加紧密地融合。例如，与晶圆重布线技术（RDL）的结合将更加深入。RDL技术可以对原来设计的集成电路线路接点位置（I/O Pad）进行优化和调整，与Bumping技术相结合后，可以进一步提高芯片的电气性能和封装灵活性。在3D封装技术中，Bumping技术将成为实现芯片垂直互连的重要组成部分。通过在不同层的芯片上制作凸块，实现芯片之间的垂直连接，从而构建三维的芯片集成结构，提高芯片的集成度和性能。此外，Bumping技术还将与系统级封装（SiP）技术相结合，在一个封装内集成多个不同功能的芯片，形成一个完整的系统。这种融合将使得封装后的芯片具有更高的性能、更小的尺寸和更低的成本，满足未来复杂电子系统对芯片封装的需求。

先进芯片封装清洗介绍

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。

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。

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