半导体封装工艺流程概述

半导体工艺与设备 2023-01-25 12:56


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半导体器件制作工艺分为前道和后道工序,晶圆制造和测试被称为前道(FrontEnd)工序,而芯片的封装、测试及成品入库则被称为后道(BackEnd)工序,前道和后道一般在不同的工厂分开处理。
 
前道工序是从整块硅圆片入手经多次重复的制膜、氧化、扩散,包括照相制版和光刻等工序,制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等,开发材料的电子功能,以实现所要求的元器件特性。
 
后道工序是从由硅圆片分切好的一个一个的芯片入手,进行装片、固定、键合联接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序,完成作为器件、部件的封装体,以确保元器件的可靠性,并便于与外电路联接。


封装的基本定义


传统意义的芯片封装一般指安放集成电路芯片所用的封装壳体,它同时可包含将晶圆切片与不同类型的芯片管脚架及封装材料形成不同外形的封装体的过程。从物理层面看,它的基本作用为:为集成电路芯片提供稳定的安放环境,保护芯片不受外部恶劣条件(例如灰尘,水气)的影响。从电性层面看,芯片封装同时也是芯片与外界电路进行信息交互的链路,它需要在芯片与外界电路间建立低噪声、低延迟的信号回路。
 
然而不论封装技术如何发展,归根到底,芯片封装技术都是采用某种连接方式把晶圆切片上的管脚与引线框架以及封装壳或者封装基板上的管脚相连构成芯片。而封装的本质就是规避外界负面因素对芯片内部电路的影响,同时将芯片与外部电路连接,当然也同样为了使芯片易于使用和运输。
 

半导体封装的作用


(1)半导体封装技术能够保证半导体设备元件的正常工作,确保其预期功能的正常发挥;

(2)半导体封装技术能够保证半导体内部信息数据的正常存储与读取,且能够以功能化模块结构的形势,实现数据存储功能要求;

(3)半导体封装技术能够通过各功能块之间的强强结合,构成半导体系统结构装置,实现其整体功能;

(4)半导体封装技术能够便于人和机器设备之间的信息交互,能够建立更加方便快捷且响应速度更快的人机界面;

(5)半导体封装技术能够进一步加强半导体作为商品的附加价值,增强其市场竞争力。

封装工艺流程


半导体封装工艺流程所包括的工作内容较多,如图所示,各流程中的具体要求不同,但作业流程间存在密切关系,还需在实践阶段详细分析。


芯片切割

半导体封装工艺中半导体封装工艺芯片切割,主要是把硅片切成单个芯片,并第一时间处理硅片上的硅屑,避免对后续工作开展及质量控制造成阻碍。

贴片工艺

贴片工艺主要考虑到硅片在磨片过程避免其电路受损,选择外贴一层保护膜的方式对其有效处理,始终都强调着电路完整性。

焊接键合工艺

控制焊接键合工艺质量,会应用到不同类型的金线,并把芯片上的引线孔与框架衬垫上的引脚充分连接,保证芯片能与外部电路相连,影响工艺整体性[1]。通常情况下,会应用搭配掺杂金线、合金金线。

塑封工艺

塑封元件的主要线路是模塑,塑封工艺的质量控制,是为了对各元件进行相应的保护,尤其是在外力因素影响下,部分元件损坏程度不同,需在工艺质量控制阶段就能对元件物理特性详细分析。

当前,在塑封工艺处理阶段会主要应用3种方式,分别是陶瓷封装、塑料封装、传统封装,考虑全球芯片生产要求,所有封装类型的比例控制也是一项极其重要的工作,在整个操作的过程中对人员综合能力提出较高要求,把已经完工的芯片在环氧树脂集合物的应用条件下,与引线框架包封在一起,先对引线键合的芯片、引线框架预热处理,然后放在封装模上(压模机),启动压膜、关闭上下模,使树脂处于半融化状态被挤到模当中,待其充分填充及硬化后可开模取出成品。在操作环节中需要注意的是突发性问题,如:封装方式、尺寸差异等,建议在模具选择与使用阶段均能严谨控制,不能单一化地考虑模具专用设备的价格,还需保证整个工艺质量与作业成效,其中就把控自动上料系统,在实践中做好质量控制工作,才能实现预期作业目标。

后固化工艺

待塑封工艺处理工作完成后,还需对其进行后固化处理,重点考虑工艺周围或管壳附近有多余材料,如:无关紧要的连接材料,还需在此环节中也需做好工艺质量控制,尤其是把管壳周围多余的材料必须去除,避免影响整体工艺质量及外观效果。

测试工艺

待上述工艺流程均顺利地完成后,还需对该工艺的整体质量做好测试工作,此环节中应用到先进的测试技术及配套设施,保证各项条件能满足测试工作开展要求。同时,还能在测试过程中对各信息数据详细记录,核心要点是芯片是否正常工作,主要是根据芯片性能等级进行详细分析。因测试设备采购价格较高,会在此方面产生较大的投资成本,为避免产生不利的影响,依然是把工作要点放在工序段工艺质控方面,主要包含外观检测、电气性能测试两部分。

例如:电气性能测试,主要是对集成电路进行测试,会选择自动测试设备开展单芯片测试工作,还能在测试的过程中把各集成电路快速地插入到测试仪所对应的电气连接小孔中,各小孔均有针,并有一定的弹性,与芯片的管脚充分接触,顺利地完成了电学测试工作。而外观检测,是工作人员借助显微镜对各完成封装芯片详细观察,保证其外观无瑕疵,也能确保半导体封装工艺质量。

打标工艺

打标工艺是把已经完成测试的芯片传输到半成品仓库中,完成最后的终加工,检查工艺质量,做好包装及发货工作。此工艺的流程包括三方面。

1)电镀。待管脚成型后,要在其表面涂刷防腐材料,避免管脚出现氧化、腐蚀等现象。通常情况下,均会采用电镀沉淀技术,是因为大部分的管脚在加工阶段均会选择锡材料,考虑此类材料自身的性质与特点,也需做好防腐、防蚀工作。

2)打弯。简单是说,是把上述环节中处理后的管脚进行成型操作,待铸模成型后,能把集成电路的条带置于管脚去边成型工具中,主要是对管脚加工处理,控制管脚形状,一般为J型或L型,并在其表面贴片封装,也关系工艺整体质量。

3)激光打印。主要就是在已经成型的产品印制图案,是在前期设计阶段就做好了图案设计工作,也相当于半导体封装工艺的一种特殊标志。

小结


在电子信息化产业进一步完善和市场发展过程中,半导体生产企业应尽可能地提升其封装工艺,通过半导体内部封装连接方式相互关系的总结与梳理以及半导体前端制造工艺对整个封装技术应用的影响关系梳理,充分感知半导体封装技术的现阶段应用现状及未来创新方向,为半导体封装技术应用水平的快速提升打下扎实基础。


参考资料:

1.《半导体封装工艺的研究分析》,工业设计;

2.《半导体封装技术研究》,电子技术;

3.《干货分享丨超全的半导体封装技术解析》,导电高研院。



END







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半导体工艺与设备 1、半导体工艺研究、梳理和探讨。 2、半导体设备应用、研发和进展。 3、建华高科半导体设备推广,包括:曝光机、探针台、匀胶机和切片机。 4、四十五所半导体设备推广,包括:湿化学设备、先进封装设备、电子元器件生产设备等。
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