作為半導體制造的后工序，封裝工藝包含背面研磨（Back Grinding）、劃片（Dicing）、芯片鍵合（Die Bonding）、引線鍵合（Wire Bonding）以及成型（Molding）等步驟。這些工藝的順序可依據(jù)封裝技術(shù)的變化而調(diào)整、相互結(jié)合或者合并。在上一期內(nèi)容里，我們介紹了把晶圓切割成單個芯片的劃片工藝。今天，我們要介紹的是芯片鍵合（die bonding）工藝，采用這種封裝工藝能夠在劃片工藝之后，將從晶圓上切割下來的芯片粘貼到封裝基板（引線框架或者印刷電路板）上。

1.什么是鍵合（Bonding）？ 在半導體工藝中，“鍵合”指的是把晶圓芯片固定在基板上。鍵合工藝可分為傳統(tǒng)和先進兩種類型。傳統(tǒng)方法采用芯片鍵合（Die Bonding）（或者芯片貼裝（Die Attach））以及引線鍵合（Wire Bonding），而先進方法采用的是IBM在60年代后期開發(fā)的倒裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding）技術(shù)。倒裝芯片鍵合技術(shù)將芯片鍵合和引線鍵合相結(jié)合，通過在芯片焊盤上形成凸塊（Bump）的方式把芯片和基板連接起來。

就如同發(fā)動機為汽車提供動力一樣，芯片鍵合技術(shù)通過把半導體芯片附著到引線框架（Lead Frame）或者印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board）上，來實現(xiàn)芯片與外界的電連接。完成芯片鍵合之后，要確保芯片能夠承受封裝后產(chǎn)生的物理壓力，并且能夠散發(fā)芯片工作時產(chǎn)生的熱量。必要時，必須保持恒定的導電性或者實現(xiàn)高水平的絕緣性。所以，隨著芯片尺寸越來越小，鍵合技術(shù)也變得愈發(fā)重要。

1.芯片鍵合步驟 在芯片鍵合過程中，首先要在封裝基板上點上粘合劑。然后，將芯片頂面朝上放置在基板上。與之相反，倒裝芯片鍵合是一種更為先進的技術(shù)，首先把稱為“焊球（Solder Ball）”的小凸塊附著在芯片焊盤上。其次，將芯片頂面朝下放置在基板上。在這兩種方法中，組裝好的單元會經(jīng)過一個叫做溫度回流（Temperature Reflow）的通道，這個通道能夠隨著時間調(diào)節(jié)溫度，使粘合劑或者焊球熔化。然后，在冷卻之后將芯片（或者凸塊）固定到基板上。

2.芯片拾取與放置（Pick & Place） 逐個移除附著在切割膠帶上數(shù)百個芯片的過程被稱為“拾取”。使用柱塞從晶圓上拾取合格芯片并將其放置在封裝基板表面的過程被稱為“放置”。這兩項任務(wù)合起來被稱為“拾取與放置”，都是在固晶機上完成的。在完成所有合格芯片的芯片鍵合之后，未被移除的不合格芯片會留在切割膠帶上，在框架回收時被全部丟棄。在這個過程中，會通過在映射表中輸入晶圓測試結(jié)果（合格/不合格）的方式對合格芯片進行分類。

3.芯片頂出（Ejection）工藝 在完成劃片工藝之后，芯片會被分割成獨立模塊并輕輕附著在切割膠帶（Dicing Tape）上。此時，逐個拾取水平放置在切割膠帶上的芯片并不容易。因為即使使用真空也很難輕易拾取芯片，如果強行拉出，就會對芯片造成物理損壞。

為此，可以采用“頂出（Ejection）工藝”，通過頂出裝置對目標芯片施加物理力，使其與其他芯片形成輕微的高度差，從而輕松拾取芯片。在頂出芯片底部之后，可以使用帶有柱塞的真空吸拾器從上方拉出芯片。與此同時，使用真空吸拾器將切割膠帶底部拉起，以使晶圓保持平整。

1.使用環(huán)氧樹脂（Epoxy）實現(xiàn)粘合的芯片鍵合工藝 在進行芯片鍵合時，可以使用由金或者銀（或者鎳）制成的合金，特別是對于大型密封封裝。也可以通過使用焊料或者含有金屬的糊劑（Power Tr）進行連接，或者使用聚合物 - 聚酰亞胺（Polymer，Polyimide）進行芯片鍵合。在高分子材料中，含銀糊狀或者液體型環(huán)氧樹脂（Epoxy）相對容易使用，使用頻率也較高。

使用環(huán)氧樹脂進行芯片鍵合時，可以將極少量的環(huán)氧樹脂精確地點在基板上。將芯片放置在基板上之后，通過回流（Reflow）或者固化（Curing），在150°C到250°C的溫度條件下使環(huán)氧樹脂硬化，從而將芯片和基板粘合在一起。此時，如果所使用環(huán)氧樹脂的厚度不恒定，就會因為膨脹系數(shù)的差異而導致翹曲（Warpage），從而引起彎曲或者變形。所以，盡管使用少量環(huán)氧樹脂比較有利，但只要使用環(huán)氧樹脂就會出現(xiàn)不同形式的翹曲。

正因為如此，一種使用晶片黏結(jié)薄膜（Die Attach Film，DAF）的先進鍵合方法成為近年來的首選方法。盡管DAF存在價格昂貴且難以處理的缺點，但它易于掌握使用量，簡化了工藝，所以使用率正在逐漸增加。

1.使用晶片黏結(jié)薄膜（DAF）的芯片鍵合工藝 DAF是一種附著在晶粒底部的薄膜。與高分子材料相比，采用DAF可以將厚度調(diào)整到非常小且恒定的程度。DAF不僅應(yīng)用于芯片和基板之間的鍵合，還廣泛應(yīng)用于芯片與芯片之間的鍵合，從而形成多晶片封裝（MCP）。換句話說，緊密粘合在芯片上的DAF等待切割工藝完成，然后在芯片鍵合過程中發(fā)揮自身的作用。

從切割芯片的結(jié)構(gòu)來看，位于芯片底部的DAF支撐著芯片，而切割膠帶以弱粘合力牽拉著位于其下方的DAF。在這種結(jié)構(gòu)中，要進行芯片鍵合，就需要在移除切割膠帶上的芯片和DAF之后立即將晶粒放置在基板上，并且不使用環(huán)氧樹脂。由于在這個過程中可以跳過點膠工序，所以環(huán)氧樹脂的利弊被忽略，取而代之的是DAF的利弊。

使用DAF時，部分空氣會穿透薄膜，引起薄膜變形等問題。所以，對處理DAF的設(shè)備的精度要求格外高。盡管如此，DAF仍然是首選方法，因為它能夠簡化工藝并提高厚度均勻性，從而降低缺陷率并提高生產(chǎn)率。

用于放置芯片的基板類型（引線框架或者印刷電路板）不同，執(zhí)行芯片鍵合的方向也存在很大差異。很久以前，基于PCB的基板就因為可應(yīng)用于小尺寸批量生產(chǎn)封裝而被廣泛使用。相應(yīng)地，隨著鍵合技術(shù)日益多樣化，用于烘干粘合劑的溫度曲線（Temperature Profile）也在不斷變化。其中一些具有代表性的鍵合方法包括加熱粘接和超聲波粘接。隨著集成技術(shù)不斷提高，封裝工藝繼續(xù)朝著超薄方向發(fā)展，封裝技術(shù)也變得多樣化。在下一期中，我們將介紹另一種封裝技術(shù)——引線鍵合。

在芯片鍵合這一重要的半導體封裝工藝中，包含多種不同的技術(shù)和操作方式。從鍵合的類型上看，分為傳統(tǒng)和先進兩種，傳統(tǒng)的芯片鍵合（Die Bonding）和引線鍵合（Wire Bonding），以及先進的倒裝芯片鍵合（Flip Chip Bonding）技術(shù)，它們各自有著不同的連接芯片與基板的方式。

芯片鍵合的步驟涉及在基板上點粘合劑、放置芯片，對于倒裝芯片鍵合還有附著小凸塊等操作，然后經(jīng)過溫度回流通道使粘合劑或焊球熔化再冷卻固定。芯片的拾取與放置是在固晶機上完成的重要任務(wù)，通過柱塞從晶圓拾取合格芯片并放置在基板上，并且依據(jù)晶圓測試結(jié)果對合格芯片分類，而不合格芯片在框架回收時被丟棄。芯片頂出工藝解決了從切割膠帶上拾取芯片易損壞的問題，通過施加物理力使芯片形成高度差以便輕松拾取。

在芯片鍵合的粘合材料方面，有多種選擇。使用環(huán)氧樹脂進行芯片鍵合時，雖易于使用但存在因環(huán)氧樹脂厚度不恒定導致翹曲的問題。而晶片黏結(jié)薄膜（DAF）盡管價格昂貴且難處理，但它能調(diào)整到極小且恒定的厚度，不僅可用于芯片與基板間鍵合，還能用于芯片與芯片間鍵合形成多晶片封裝，并且能簡化工藝、提高厚度均勻性、降低缺陷率和提高生產(chǎn)率，只是在使用時可能會有部分空氣穿透薄膜引起變形，對設(shè)備精度要求高。另外，不同類型的基板在執(zhí)行芯片鍵合時方向差異大，隨著鍵合技術(shù)發(fā)展，烘干粘合劑的溫度曲線也不斷變化，包括加熱粘接和超聲波粘接等方法，并且隨著集成技術(shù)發(fā)展，封裝工藝朝著超薄和多樣化方向發(fā)展。