半导体先进封装助力键合技术发展

半导体先进封装助力键合技术发展


封装逐步朝着高速信号传输、堆叠、小型化、低成本、高可靠性、散热等方向发展。（1）高速信号运输：人工智能、5G等技术在提高芯片速度的同时还需要提升半导体封装技术，从而提高传输速度；（2）堆叠：过去一个封装外壳内仅包含一个芯片，而如今可采用多芯片封装（MCP）和系统级封装（SiP）等技术，在一个封装外壳内堆叠多个芯片；（3）小型化：随着半导体产品逐渐被用于移动甚至可穿戴产品，小型化成为一项重要需求。随着先进封装在算力时代的重要性日益凸显，键合技术成为不可或缺的关键一环。

什么是晶圆键合：
键合（Bonding）是通过物理或化学的方法将两片表面光滑且洁净的晶圆贴合在一起，以辅助半导体制造工艺或者形成具有特定功能的异质复合晶圆。键合技术有很多种，通常根据晶圆的目标种类可划分为晶圆-晶圆键合（Wafer-to-Wafer，W2W）和芯片-晶圆键合（Die-to-Wafer，D2W）；根据键合完成后是否需要解键合，又可分为临时键合（Temporary Bonding）和永久键合（Permanant Bonding）；根据待键合晶圆间是否引入辅助界面夹层，还可分为直接键合、间接键合、混合键合（Hybrid Bonding）等；根据传统和先进与否，传统方法包括引线键合（Wire Bonding），先进方法采用倒装芯片键合（Flip Chip Bonding）、混合键合等。

先进封装追求更高的传输速度、更小的芯片尺寸，作为先进封装的核心技术，键合工艺经历了从最初通过引线框架到倒装（FC）、热压粘合（TCP）、扇出封装（Fan-out）、混合封装（Hybrid Bonding）的演变，追求更快的互联速度。可以看到键合工艺的改进升级极大地推动了I/O接口密度的提升，也就大幅度提升了芯片的传输带宽。

键合方式逐步从引线键合、倒装键合、热压键合再到混合键合

为了使芯片尺寸更小，封装尺寸和凸点间距都需要相应地缩小；10μm的凸点间距提供的I/O数量大约是200μm凸点间距的400倍。随着电子器件朝着更轻薄、更微型和更高性能的方向发展，凸点间距已经推进到20μm，并且一些行业巨头已经实现了小于10μm的凸点间距；10μm凸点间距所提供的I/O数量大约是200μm凸点间距的400倍。50-40μm凸点间距可通过倒装键合实现，40-10μm凸点间距需用热压键合（TCB），而10μm以下凸点间距则需采用混合键合技术。（1）倒装键合的回流焊适用于40-50μm凸点间距，但随着凸点间距缩小会导致翘曲和精度问题，使回流焊不再适用。（2）热压键合40-10μm凸点间距中能够胜任，但当凸点间距达10μm时，TCB可能产生金属间化合物，影响导电性。（3）10μm凸点间距以下的高集成度封装将全面转向混合键合技术。

引线键合
传统封装需要依靠引线将晶圆与外界产生电气连接。将晶圆切割为晶粒后，使晶粒贴合到相应的基板架上，再利用引线将晶片的接合焊盘与基板引脚相连，实现电气连接，最后用外壳加以保护。

引线键合通过引线实现芯片与载板的电气连接

倒装键合
倒装键合是通过在芯片顶部形成的凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。与传统引线键合一样，倒片封装技术是一种实现芯片与基板电气连接的互连技术。相较于引线键合，倒装键合：①拥有更多的连接密度，引线键合只能围绕芯片四周进行引线连接，对于可进行电气连接的输入/输出（I/O）引脚的数量和位置有限制，而倒装键合可以在整个芯片正面植球，可以显著提高连接密度； ②信号传输路径更短：倒装键合直接利用凸块(Bump)进行电信号传输,传输路径远短于引线键合，可以带来更快的计算传输能力。因此在先进封装领域，倒装键合技术凭借其优越的电气性能和空间利用率成为主流键合技术，被广泛应用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封装。

倒装键合取代引线键合应用于CPU、GPU与DRAM封装

热压键合
为解决芯片凸点间距缩小时倒装键合回流焊步骤中出现的翘曲和精度问题，当凸点间距达40μm以下时，TCB（Thermal Compression Bonding）热压键合成为主流。TCB键合利用高精度相机完成待键合芯片间的对准，并通过控制热压头的压力与位移接触基座，施加压力并加热以实现芯片间的键合。

TCB从芯片顶部加热，仅芯片和C4（可控熔塌芯片互连，Controlled Collapse Chip Connection ）焊料会升温，最大限度减少基板、裸片翘曲倾斜问题。压力确保均匀粘合，无间隙变化或倾斜。TCB技术在相同I/O间距下实现更好的电气特性，并允许I/O间距继续缩小，可封装更薄的芯片，因此多叠层HBM3通常采用TCB。