半導體元器件的製造過程包括前端製造過程和後端封裝測試過程。 封裝測試環節是連線晶圓與元器件的橋梁,位於半導體元器件設計之後、最終產品之前,屬於半導體製造的後端工藝。
封裝工藝是將晶元排版、固定、連線在基板上,用塑料絕緣介質灌封形成電子產品的過程,目的是保護晶元不受損壞,保證晶元的散熱效能,實現電能和電訊號的傳輸,保證系統的正常執行測試過程是使用專業裝置對產品的功能和效能進行測試。
根據SEMI對全球半導體封裝裝置市場的統計,封裝測試裝置約佔半導體裝置整體市場份額的15%,屬於核心工藝裝置。 隨著下游應用場景的不斷豐富和對封測工藝技術要求的不斷提高,半導體封測逐漸進入產業鏈核心領域,成為延伸摩爾定律的主要支柱之一。
在包裝過程中,每個環節和工藝階段都對應著某種型別的包裝裝置。 其中,LED晶元封裝裝置主要有擴晶機、貼片機、引線鍵合機、灌膠機、分光器、編帶機等。 半導體封裝裝置主要包括減薄機、切割機、晶元鍵合機、引線鍵合機等。
(1)LED封裝領域
LED封裝是LED產業鏈中的關鍵環節。 通過封裝,可以為LED晶元提供電氣輸入、機械保護和散熱通道,實現高效率、高質量的光輸入。 LED領域的主要封裝工藝包括晶元鍵合、引線鍵合、灌膠、光分離和流片。
(2)半導體封測領域
與LED封裝領域相比,半導體領域的封裝測試一般從晶圓入手,通過減薄切割工藝將晶圓切割成晶圓,以達到封裝所需的厚度。 然而,在晶圓階段,半導體領域的封裝測試也要求晶元固定在特定的載體上,晶圓通過鍵合線連線到特定的載體上,形成與外界通訊的訊號傳輸通道。 因此,半導體領域的封裝測試還包括晶元鍵合和引線鍵合工藝,這些工藝在裝置和技術方面與LED領域的封裝有一定的共性,主要區別在於加工精度,各工藝的具體內容如下
(3)封裝互連技術的分類
根據晶元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(引腳數3-257)、載帶自動焊接(引腳數12-600)和倒裝焊接(引腳數6-16000)。
1) 引線鍵合
引線鍵合工藝:在引線鍵合封裝(引線)中的晶元電極(PAD)和支架引腳上,通過鍵合線的超聲波熱壓焊接形成可靠的電氣連線晶元電極與金線的連線方式為金球焊,支架與金線的連線方式為楔形魚尾連線。
目前,適用於引線鍵合互連的主要封裝技術有SIP、DIP、SOP、QFP、QFN、WB-BGA和3D 25D封裝、SIP等
2)載帶自動焊接
膠帶自動鍵合 (TAB) 是一種組裝技術,可將晶圓安裝並互連到柔性金屬化聚合物載帶上,是晶元引線框架的互連工藝。 TAB的工藝流程如下:首先,在聚合物上製作元件引腳的導體圖案,然後根據其鍵合面積將晶圓放置在其上,然後將晶元上的凸塊與載帶上的焊點焊接在一起,將所有引線一次性通過熱電極分批鍵合, 最後將焊接的晶元密封並保護起來。
3) 翻轉焊接
倒裝焊接是在晶元的電極上預製凸塊,然後將凸塊連線到基板或引線框架的相應電極區域。 積體電路晶元連線到載體或基板,有源側朝下。 晶元與基板之間的互連是通過晶元上的凸塊結構和基板上的粘接材料實現的,這使得機械和電氣互連成為可能。 對於高密度晶元,倒裝焊接在效能上具有很強的優勢。
一般來說,載帶自動互連和翻焊互連的電氣效能優於引線鍵合,但需要額外的裝置。 因此,對於IO數量較少的晶元,自動載帶和倒裝焊接導致更高的產品成本,而在3D封裝中,堆疊的晶元不能全部倒置在封裝體上,而只能通過引線鍵合或TSV與封裝體互連。
基於以上原因,引線鍵合一直是晶元互連的主流技術,是晶元電互連中重要的實現手段和方法。
(4)引線鍵合是封裝測試的核心工藝,隨著材料和技術的公升級而不斷發展
目前,超過90%的晶元互連封裝依靠引線鍵合技術來完成,引線鍵合將作為未來大部分晶元封裝中的主要互連技術長期存在,並繼續大量用於封裝型別中。 從 2015 年到 2021 年,全球引線鍵合市場規模以 2 的復合年增長率增長1%,保持平穩增長。
其餘不採用引線鍵合技術的封裝,多用於少數對整合度和精度要求較高或具有特殊效能的晶元封裝環節,應用場景相對有限。 隨著未來引線鍵合機和引線鍵合材料的多樣化,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,以滿足半導體封裝的巨大需求。
(5)包裝應用領域及相應的包裝形式