系統(tǒng)級封裝工藝流程說明

來源：SMT技術(shù)網(wǎng)

摘要：在智能手機、TWS耳機、智能手表等熱門小型化消費電子市場帶動下，SiP（System in a Package系統(tǒng)級封裝）迎來了更大的發(fā)展機會。根據(jù)Yole預(yù)計，2025年系統(tǒng)級封裝市場規(guī)模將達(dá)到188億美元，復(fù)合年增長率為6%。

目前，智能手機占據(jù)SiP下游產(chǎn)品應(yīng)用的70%，是最主要的應(yīng)用場景。而近年來，隨著SiP模塊成本的降低、效率的提升、以及制造流程趨于成熟，采用這種封裝方式的應(yīng)用領(lǐng)域已從消費電子市場領(lǐng)域逐漸滲透拓展至工業(yè)控制、智能汽車、云計算、醫(yī)療電子等諸多新興領(lǐng)域。

什么是SiP系統(tǒng)級封裝？

SiP是將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。從架構(gòu)上來講，SiP是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內(nèi)，從而實現(xiàn)一個基本完整的功能。

SiP工藝流程

SiP封裝工藝，是以一定的工序，在封裝基板上，實現(xiàn)無源、芯片等器件的組裝互連，并把芯片包封保護(hù)起來的加工過程。SiP封裝制程按照芯片與基板的連接方式可分為引線鍵合封裝和倒裝焊兩種。

這里，我們將以引線鍵合封裝為例，為大家詳細(xì)介紹整個工藝流程。

晶圓研磨 Wafer Grinding

晶圓研磨是指從圓片背面采用機械或化學(xué)機械（CMP）方式進(jìn)行研磨，將圓片減薄到適合封裝的程度。為保持一定的可操持性，F(xiàn)oundry出來的晶圓厚度一般在700um左右，封測廠必須將其研磨減薄，才適用于切割、組裝，一般需要研磨到200um左右，一些疊die結(jié)構(gòu)的memory封裝則需研磨到50um以下。

晶圓研磨主要可分為下面三個步驟：

Taping(貼膜)：在晶圓的正面（Active Area）貼上一層保護(hù)膜，保護(hù)芯片電路區(qū)域在研磨時不被刮傷。

Back Grinding(背面研磨)：將貼膜后的晶圓放在真空吸盤上，真空吸盤其旋轉(zhuǎn)。研磨砂輪轉(zhuǎn)動的同時對晶圓施壓，將其研磨到最終需要的厚度。

Detaping(去膜)：晶圓研磨后，將保護(hù)膜經(jīng)紫外光照射后剝離。

晶圓切割

晶圓切割流程分為：

Wafer Mounting (晶圓貼片)：貼膜的主要作用是防止芯片在切割時散落，另外也方便后續(xù)Die Attche工序拾取芯片；

Die Singulation(芯片切單)：芯片切割又叫劃片，目前主要有兩種方式：刀片切割和激光切割。

Wafer切割后，所有的芯片已完全分離開，將其放入晶圓框架盒中，流去下一工序。

SMT表面貼裝

SMT工序是將一些需要焊接的元器件安放到基板上，并通過錫膏焊接起來的工藝。主要流程：錫膏印刷→ SMT(貼片) → Reflow(回流焊)。另外，在印刷錫膏前，會有基板烘烤工序（除濕氣，防爆板）；回流焊后，會有清洗（清除Flux殘留）、烘干、檢驗等工序。

芯片貼裝 Die Attach

芯片貼裝（Die Attach）是封裝工藝中非常關(guān)鍵的一步，其主要目的是將單顆芯片從已經(jīng)切割好的wafer上抓取下來，并安置在基板對應(yīng)的die flag上，利用銀膠（epoxy）把芯片和基板粘接起來。

其主要過程如下圖所示，可以細(xì)分為三步：

1. 點膠(Dispense)：

銀膠的主要成份是環(huán)氧樹脂、銀粉(Silver)和少量添加劑。環(huán)氧樹脂和添加劑主要起粘結(jié)作用，而銀粉主要起導(dǎo)電導(dǎo)熱作用。成品銀膠被裝在針筒注射器中，零下50℃的低溫保存，防止變性。使用前，將銀膠取出回溫，并在離心攪拌機中攪拌均勻，擠出其中的氣泡。

2. 取芯片(Pick up)：

切割后的Wafer被安裝在固晶機的Air Bearing Table上，取芯片時，Ejector Pin從wafer下方將芯片頂起，使之便于脫離tape，同時Pick up head從上方吸起芯片。

3. 貼片：

基板被傳輸?shù)焦叹C的貼片平臺(Die bond table)上，平臺被加熱到120℃(防止基板吸收濕氣，使芯片貼裝后預(yù)固化)。點膠之后，已抓取芯片的Pick up head運動到基板上方，以一定的壓力將芯片壓貼在點膠的die flag上，如下圖所示。完成貼片的基板被傳輸?shù)交搴?Magazine)中，流入下一工序。

銀膠固化 Epoxy Cure

貼片后的基板裝回基板盒，放進(jìn)熱風(fēng)循環(huán)烤箱，如下所示，175℃烘烤60～120分鐘，使膠水中的溶劑揮發(fā)，膠水完全固化，芯片牢貼在基板上?？鞠鋬?nèi)充滿氮氣，防止氧化。

等離子清洗 Plasma Clean

在密閉真空中充入少量Ar、H2、O2中的一種或幾種氣體，利用RF power在平形板電極形成電場使電子來回震蕩，電子激發(fā)并電離氣體產(chǎn)生電漿，撞擊基板和芯片表面，與污染物產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)，利用氣體流通將污染物去除。等離子清洗使表面微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生官能基或達(dá)到一定的粗糙度，增加不同材料之間的結(jié)合力，增加焊點的可靠性以及基板與塑封材料之間的結(jié)合力，從而提高產(chǎn)品的可靠度、增加使用壽命。

引線鍵合 Wire Bond

引線鍵合是封裝工藝中最為關(guān)鍵的一步，主要目的是利用金線(Au)、鋁線(Al)或銅線(Cu)，把芯片上的Pad和基板上Finger通過焊接的方法連接起來。焊接方式有熱壓焊、超聲鍵合和熱超聲焊等。

熱超聲焊的主要材料為金線，成分為99.99%的高純度金，線徑一般為0.8mil，1.0mil，1.3mils，1.5mils和2.0mils等。利用超聲振動提供的能量，使金絲在金屬焊區(qū)表面迅速摩擦生熱，產(chǎn)生塑性變形，破壞金屬層界面的氧化層，兩個純凈的金屬界面緊密接觸，在鋼嘴壓力作用下，達(dá)到原子間緊密鍵合，形成牢固的焊接。

塑封 Molding

將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封料的預(yù)成型塊在預(yù)熱爐中加熱，并進(jìn)行注塑。

主要過程如下：

1)將完成超聲焊接的基板，放置在注塑機的下模(Bottom chase)上預(yù)熱。

2)將上模(Top chase)下壓，并將預(yù)熱后的環(huán)氧塑封料(Epoxy Molding Compound，簡稱EMC)從注塑口投入到投料罐(Pot)中。

3)注塑桿(Plunger)加壓后，熔化后的塑封料流入并充滿模腔(Cavity)，將芯片和焊接金線包封起來，同時模腔內(nèi)的空氣經(jīng)空氣口(Air vent)排出。

4)待填充EMC硬化后，開模脫模，取出封好的成品。

EMC：是一種熱固性樹脂，主要成分為環(huán)氧樹脂及各種添加劑（固化劑，改性劑，脫模劑，染色劑，阻燃劑等），為黑色塊狀，低溫存儲，使用前需先回溫。其特性為：在高溫下先處于熔融狀態(tài)，然后其成分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)逐漸硬化，最終成型。

植球 Ball Mounting

BGA封裝是通過基板下表面的錫球(Solder Ball)與系統(tǒng)PCB實現(xiàn)互連的，本工序就是將錫球焊接在基板上的過程。工序可細(xì)分為如下圖4步：

1.用與BGA焊盤相應(yīng)的治具沾取助焊劑(Flux)，并將其點在BGA焊盤上；

2.通過置球治具(Ball attach tool)真空吸取錫球，并轉(zhuǎn)移至沾有助焊劑的焊盤上；松開真空開關(guān)，錫球在助焊劑的粘性作用下，粘貼在基板焊盤上；

3.將上一步的基板通過熱風(fēng)回流焊，錫球在高溫下熔化，并在助焊劑的幫助下，與基板焊盤浸潤，冷卻后，錫球與基板牢牢焊接在一起；

4.焊接了錫球的基板，放入清洗機，把多余的助焊劑和臟污清洗掉，最后烘干。

打標(biāo) Marking

打標(biāo)就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標(biāo)識，包括制造商的信息、國家、器件代碼等，現(xiàn)以激光印碼為主。

切單 Singulation

為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)約材料，大多數(shù)SIP的組裝工作都是以陣列組合的方式進(jìn)行，在完成模塑與測試工序以后進(jìn)行劃分，分割成為單個的器件。本工序主要目的就是將置球完畢整條(Strip)的產(chǎn)品，分割成單獨的正式的BGA產(chǎn)品。主要有三種方式：剪(Punch)，切(Saw)，銑(Rout)，如下圖所示。

Punch：利用特定的治具，在沖床上把BGA封裝一個一個的剪切下來；

Saw：把Strip貼在Tape上(防止切割后封裝散落)，利用真空牢牢吸附在切割機的切割平臺上，切割刀片高速旋轉(zhuǎn)，并按照程序的設(shè)定沿著封裝BGA封裝邊緣移動，將Strip上的BGA單獨切割開來。

Rout：Strip固定在銑床上，銑刀高速旋轉(zhuǎn)并圍繞Strip上BGA封裝的邊緣移動，利用銑刀的切割作用，將每一個BGA封裝單獨銑切下來。

檢查 Inspection

主要有目檢，光學(xué)檢測，X-ray檢測等。

目檢：以目視的方法檢驗切單后的封裝的外觀不良，例如印字缺陷、塑封缺陷、切單缺陷等。

光學(xué)檢測：檢測封裝后產(chǎn)品的外型是否滿足規(guī)格（如翹曲度），以及焊球的質(zhì)量缺陷，如少球、焊球偏移等。

X-ray檢測：通過X射線透視封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢測金線（斷裂、短路等），塑封（空洞、分層等），錫球（脫焊，偏移等）。

測試 Testing

測試工序是確保向客戶提供產(chǎn)品的電氣性能符合要求的關(guān)鍵工序，此工序一般獨立與封裝工藝。它利用測試設(shè)備(Testing Equipment)以及自動分選器(Handler)（如下圖），測定封裝IC的電氣特性，把良品、不良品區(qū)分開來；對某些產(chǎn)品，還要根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行良品的分級。

測試按功能可分為DC測試（直流特性）、AC測試（交流特性或timing特性）及FT測試（邏輯功能測試）三大類。同時還有一些輔助工序，如BT老化、插入、拔出、實裝測試、電容充放電測試等。

包裝出貨 Packaging & Shipping

按照一定的批次和數(shù)量對測試完成的產(chǎn)品進(jìn)行真空包裝，主要目的是保證運輸過程中的產(chǎn)品安全，及長期存放時的產(chǎn)品可靠性。對包裝材料的強度、重量、溫濕度特性、抗靜電性能都有一定的要求。主要材料有Tray盤，抗靜電袋，干燥劑、濕度卡，紙箱等。包裝完畢后，直接入庫或按照要求裝箱后直接發(fā)貨給客戶。