芯片封測：從集成電路到獨立成熟產品的關鍵工序

一、芯片封測流程概述

芯片封測是將芯片進行封裝并測試的過程，這一環節在芯片生產產業鏈里占據著非常重要的地位。芯片實際上是集成電路的載體，是集成電路經過設計、制造等步驟后的待完善產物。封測就是讓芯片能夠適應外界環境并正常工作的關鍵工序。

• 封測的重要性：

• 保護芯片：芯片在生產車間有著嚴格的環境條件把控，如恒定的溫濕度、嚴格的空氣塵埃顆粒度控制和靜電防護措施。然而，芯片正常工作的外界環境如溫度范圍可達 -40°C - 60°C、濕度可能達到100%，并且存在灰塵、靜電等干擾因素。因此，封測就是為了更好地在這種惡劣環境下保護芯片 。

• 支撐芯片：支撐作用有兩方面。一方面是為了穩固芯片，使其便于電路連接；另一方面是在封測結束后，能夠讓整個器件形成一定的外形，從而防止器件容易損壞 。

• 實現連接：芯片封測能夠把芯片的電極和外界電路進行連通，像載片臺承載芯片、環氧樹脂粘合劑粘貼芯片、引腳支撐器件以及塑封體固定和保護器件等都是為了實現這一連接作用而存在的機制 。

• 輔助散熱：半導體芯片工作會產生熱量，當熱量達到一定程度就會影響芯片功能。封裝體的各種材料有一定的散熱作用，對于發熱量較大的芯片，還可以通過特定封測材料或者額外安裝散熱芯片來降溫 。

• 確保可靠性：在封裝工藝里，可靠性是一個非常關鍵的衡量指標，因為芯片一旦離開特定的理想化生產環境就容易損毀，所以必須在封測環節保障其可靠性 。

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二、芯片封測的主要步驟

（一）前段工序

• 晶圓減薄（wafer grinding）：剛生產出的晶圓（wafer）需要對其背面進行減薄操作，使厚度達到封裝要求。在背面磨片過程中，要在正面粘貼膠帶來保護電路區域，等到研磨完畢后，再把膠帶去除 。

• 晶圓切割（wafer Saw）：把晶圓粘貼到藍膜上，接下來將晶圓切割成為一個個獨立的芯片個體，即Dice，然后對這些Dice進行清洗操作，從而讓芯片進入下一步流程的時候處于潔凈狀態 。

• 光檢查：在切割后的芯片個體上進行光檢查環節，主要目的是篩查出在晶圓切割等前期工序中是否出現了殘次品，確保后續進行封測的芯片基本是合格產品 []。

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• 芯片貼裝（Die Attach）：這個階段包含芯片貼裝操作，而且為了防止氧化要對銀漿進行固化，還要進行引線焊接。這一系列的操作是為了將芯片更好地安裝在相應的位置，使得后續的連接工作可以有效開展 []。

（二）后段工序

• 注塑：使用EMC（塑封料）將產品封測起來，它能夠防止外部沖擊，同時借助加熱使其硬化。此過程中塑封料包裹著芯片，為芯片提供外部的保護以及特定的形狀構造等功能 []。

• 激光打字：利用激光在產品上刻下諸如生產日期、批次等等相應的內容。這樣可以使得產品的批次、生產時間等信息變得清晰，有助于產品識別、質量追溯等多個方面 []。

• 高溫固化：這一步驟主要是為了保護IC內部的結構，通過高溫處理能夠消除內部應力，讓芯片在結構上更加穩定可靠 []。

• 去溢料：在芯片制作過程中可能會出現邊角溢料的情況，所以要進行修剪邊角的工作，確保芯片的外觀尺寸符合要求以及功能不受影響 []。

• 電鍍：電鍍處理可以提高芯片的導電性能，增強其可焊接性，從而使得芯片在后續與其他電路元件連接的時候能夠更加穩定地傳輸信號 []。

• 切片成型檢查殘次品：這一步驟是為了最終確定芯片是否合格，要對切片成型后的芯片進行仔細檢查。只有通過了這個FT測試（Final Test）的產品才能夠對外出貨，確保流向市場的芯片是經過層層篩選后的合格產品 []。

三、芯片封測流程中的關鍵技術

（一）封裝技術層面

• 不同封裝材料的選擇與應用：根據芯片的用途、性能要求以及成本等多種因素，可選擇金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。金屬封裝具有較好的散熱性能和屏蔽性能，適用于一些對散熱和抗干擾要求較高的芯片；陶瓷封裝的耐高溫性能、化學穩定性都比較強，常常用于高端芯片或者特殊環境下的芯片封裝；塑料封裝成本低、可塑性強，應用非常廣泛，尤其在民用電子設備中的芯片封裝利用率很高。不同封裝材料在物理特性、電學特性方面各具優劣，需要結合實際需求進行科學選擇 []。

• 引腳連接相關技術：

• 焊接技術創新：在將芯片的引腳與封裝器件或者電路板連接的時候，焊接是一個關鍵環節。例如線纜焊接（Wire Bonding），這種焊接方式利用金屬絲（通常是金線）將芯片引腳與外部的連接點連接起來。還有焊錫球（BGA球）焊接，它通過在芯片底面的焊盤上設置許多微小的焊錫球來實現與電路板的連接。焊接技術的好壞直接影響芯片與外部電路連接的穩定性和可靠性。如果焊接存在虛焊等情況，可能會導致電路斷路或者信號傳輸異常等嚴重問題。

• 提高引腳密度的相關布局技術：現代芯片向著多功能化方向發展，對引腳的需求越來越多，這就要求引腳布局更加合理和高密度。例如球柵陣列（BGA）封裝技術，通過陣列式的引腳布局（焊錫球），在較小的空間內設置了較多的引腳；還有無引腳封裝（WLP）技術，雖然沒有傳統的引腳，但是通過特殊的布局方式在芯片尺寸縮小的情況下依然能夠實現高引腳密度的連接 []。

（二）測試技術層面

• 功能測試技術：

• 自動化功能測試設備：對于芯片的功能測試，通常采用自動化測試設備（ATE）。這些設備具備高度自動化、多功能性和高精度的特點。高度自動化意味著可以在無需大量人工干預的情況下執行各種測試任務，節省人力成本和提高測試效率；多功能性體現為能夠對芯片進行諸如數字電路功能、模擬電路功能、混合電路功能等多種類型的測試，從而全面評估芯片是否達到設計功能要求；高精度則保證了對芯片功能的精確測量和準確評估，確保測試結果的可信度高。

• 測試程序的優化：針對不同類型的芯片，要編寫或優化適合的測試程序。測試程序需要確保對芯片各個功能模塊的全覆蓋測試，不留功能測試的死角。例如對于具有復雜邏輯功能的芯片，測試程序要對各種邏輯運算情況進行模擬驗證，避免出現因測試不全面而使某些功能缺陷未被發現的情況。而且測試程序還要根據芯片設計的更新和應用場景的變化不斷優化改進，確保測試的準確性和高效性。

• 可靠性測試技術：

• 多環境因素下的測試：為了確保芯片在不同工作環境下的可靠性，需要進行多環境因素下的測試。比如溫度測試，要將芯片暴露在不同的溫度環境下（從低溫環境如 -40°C到高溫環境如85°C - 125°C不等），觀察芯片在冷啟動、熱啟動以及長期在不同溫度下穩定工作的性能表現。濕度測試則要考察芯片在不同濕度環境下是否會出現性能衰減或者短路等故障。此外，還要進行振動測試、抗靜電測試等，模擬芯片在實際運輸、使用過程中可能遇到的各種不利環境因素的影響。

• 耐用性和壽命測試技術：通過一些加速老化測試技術來評估芯片的耐用性和壽命。例如在高于正常工作電壓或者溫度的條件下讓芯片運行一定時間，然后檢查芯片的性能指標是否仍然在合格范圍內，以此來推斷芯片在正常使用條件下的使用壽命和可靠性情況。這種加速老化測試要依據科學合理的實驗模型進行操作，確保測試結果的可參考性。

四、芯片封測流程實例分析

以普通消費電子設備中的一款CPU芯片為例：

（一）前期準備階段

• 首先，這款芯片在晶圓制造完成后，晶圓廠會根據芯片封測廠的要求對晶圓進行初步的檢測，主要是確保晶圓的基礎質量，比如晶圓上的電路是否完整、有否制造瑕疵等。

• 封測廠拿到晶圓后進入封裝環節的前期準備，選擇適合的封裝材料，由于是消費電子設備使用，要考慮成本因素，一般采用塑料封裝材料，而且要根據CPU芯片的引腳數量、功耗等確定封裝形式，如這種CPU可能適合采用方形扁平無引腳（QFN）封裝形式，因為它適合于表面貼裝且能滿足一定的引腳和散熱需求。同時，準備好如環氧樹脂等粘結材料、封裝用到的框架等相關材料。

（二）前段工序執行情況

• 晶圓減薄時，按照QFN封裝的厚度要求，將晶圓背面進行打磨使厚度降低到合適數值。減薄過程中的技術關鍵是要精確控制厚度，因為這個厚度是后續各個工序順利進行的基礎，如果過薄可能導致芯片脆弱易碎，如果過厚則可能影響整個封裝的結構或者導致與其他設備的適配問題。

• 隨后進行晶圓切割，使用高精度的切割設備將晶圓按照芯片的大小切割成單獨的Dice。這個過程需要注意切割的精度和對切割后芯片的清潔，以避免切割產生的殘渣、碎屑對芯片造成污染或者損傷芯片電路。例如，切割過程中的一些微小金屬殘渣可能會導致電路短路。

• 光檢查環節通過自動化的光學檢測設備對切割后的芯片進行逐片掃描，檢測的精度可以達到微納米級別，能夠發現芯片表面是否有劃痕、電路是否有斷點等各種殘次品特征。如果發現次品，就做上標記并且將其分類出來，不進入下一環節。

• 芯片貼裝過程中，將芯片準確地放置在封裝框架內（這對于QFN封裝來說框架結構和芯片的貼合精度要求高），采用環氧樹脂進行粘貼，并完成銀漿固化防止氧化，然后進行引線焊接。由于是CPU芯片，引線的布局和焊接質量直接影響到芯片與外部設備（如主板）的數據傳輸穩定性，所以焊接過程中的焊接技術參數（如焊接溫度、焊接壓力等）要嚴格控制。

（三）后段工序進展

• 注塑環節，采用特定的塑料封裝料對芯片進行包裹注塑。在注塑過程中，控制注塑的溫度、壓力和速度等參數，確保封裝料均勻地充滿整個封裝空間，避免出現空泡等缺陷。注塑形成的外殼形狀對于QFN封裝不僅起到保護芯片的作用，還影響到它在PCB板上的安裝和散熱性能等。

• 激光打字在芯片表面打上型號、生產批次等標識，標記的位置要精確且深度要適中，確保標識清晰可辨且不影響芯片的性能。例如不能因為標記過深而損壞芯片內部電路。

• 高溫固化對于穩定芯片內部結構極為重要，在高溫固化爐中按照規定的溫度曲線（比如從升溫到恒溫再到降溫的過程）進行處理。這個過程中的溫度曲線是根據封裝材料和芯片性能要求設定的，如果溫度控制不當可能會導致封裝材料與芯片之間產生應力進而影響芯片的性能或者長期穩定性。

• 去溢料主要是去除注塑過程中在芯片邊緣產生的多余塑料，使芯片的外形規整，這個過程利用自動化的修邊設備進行精確修整。

• 電鍍環節通過電鍍設備在芯片的引腳或者指定的表面鍍上一層導電性能良好的金屬層，提高芯片的導電和焊接性能。電鍍的金屬層厚度、均勻度都需要嚴格控制，不均勻的電鍍層可能導致信號傳輸的差異性或者焊接時接觸不良等問題。

• 最后切片成型檢查殘次品時，對芯片進行全面的質量檢查，包括外觀檢查、功能測試等。外觀檢查看芯片的整體外形、標記是否正常等；功能測試會連接到專門的測試設備上，對芯片進行數據讀取、指令執行等功能進行測試，只有完全符合要求的芯片才能成為合格產品出貨。

五、芯片封測流程的優化方法

（一）工藝參數優化

• 溫度相關的優化：在多個工序中溫度是一個關鍵的控制參數。例如在焊接過程中，不同的焊接材料和芯片引腳材質可能需要不同的最佳焊接溫度，溫度過高可能導致焊點氧化或者芯片內部結構受損，溫度過低則可能導致焊接不牢固。通過精確的實驗探索和理論計算，可以找到最佳的溫度參數，并且采用高精度的溫控設備來準確實現這個溫度控制。像在芯片高溫固化環節，找到能夠完全消除內部應力同時又不對芯片性能造成影響的溫度范圍，如通過采用數據采集設備監控芯片在不同溫度固化后的應力情況，根據采集的數據進行分析得到最佳固化溫度區間。

• 壓力參數調整：像晶圓減薄時研磨的壓力、芯片貼裝時的粘貼壓力以及注塑時的壓力都需要優化。如果晶圓減薄時研磨壓力過大，可能會使得晶圓表面平整度變差或者產生厚度不均勻的情況；芯片貼裝時粘貼壓力不穩定可能會導致芯片粘貼不牢固或者移位；注塑時壓力如果不合理，就會產生比如注塑不完全或者封裝料溢出速度過快無法控制等問題。可利用傳感器等設備精確測量和監控這些壓力參數，根據實際的測量結果來調整到最佳的壓力數值。

（二）設備與材料升級

• 采用更先進的測試設備：傳統的測試設備在功能的多樣性、測試速度、測試精度方面可能存在不足。比如對于一些高速信號傳輸芯片的測試，新型的高速自動測試設備（ATE）能夠提供更高的測試頻率和更精確的信號測量，從而能夠更全面地檢測芯片在高速信號傳輸下的各項性能指標。而且隨著芯片向更高集成度發展，一些測試設備也引入了更智能的診斷功能，可以根據測試結果快速定位芯片存在的故障可能位于哪個模塊、哪條線路等。

• 選擇高性能的封裝材料：從基礎的封裝保護和性能需求提升出發，在已有的塑料、陶瓷、金屬等封裝材料基礎上，開發一些新性能的材料或者對現有的材料進行改進。例如研發出散熱性能更好且成本相對較低的新型塑料封裝材料，或者改進陶瓷封裝材料的韌性，使其在保證高可靠性的同時能夠減少在制造過程中的破損率。

（三）質量監控體系強化

• 生產全過程的質量追溯：在芯片封測過程中，從晶圓進入工廠開始到最終成品出貨的每一個步驟都建立詳細的生產資料記錄，當出現質量問題時能夠快速地通過這些記錄的數據追溯到哪一個環節出現了問題。例如記錄每一批晶圓的來源、每一個芯片的切割時間、用的是哪個批次的封裝材料等信息，以及每個芯片在各個測試環節的具體測試數據等。

• 抽樣檢測到全樣本檢測的逐步推進：傳統的抽樣檢測可能存在一定的漏檢風險，對于一些高可靠性要求或者高成本的芯片封測，可以逐步增加檢測的范圍甚至實現全樣本檢測，確保每一個流向市場的芯片都是完全合格的產品。當然全樣本檢測面臨成本壓力和檢驗效率的挑戰，可以利用智能化的測試設備和算法，提高全樣本檢測過程的效率從而降低成本。

芯片封裝清洗介紹

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·         水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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