芯片封测：从集成电路到独立成熟产品的关键工序

一、芯片封测流程概述

芯片封测是将芯片进行封装并测试的过程，这一环节在芯片生产产业链里占据着非常重要的地位。芯片实际上是集成电路的载体，是集成电路经过设计、制造等步骤后的待完善产物。封测就是让芯片能够适应外界环境并正常工作的关键工序。

• 封测的重要性：

• 保护芯片：芯片在生产车间有着严格的环境条件把控，如恒定的温湿度、严格的空气尘埃颗粒度控制和静电防护措施。然而，芯片正常工作的外界环境如温度范围可达 -40°C - 60°C、湿度可能达到100%，并且存在灰尘、静电等干扰因素。因此，封测就是为了更好地在这种恶劣环境下保护芯片 。

• 支撑芯片：支撑作用有两方面。一方面是为了稳固芯片，使其便于电路连接；另一方面是在封测结束后，能够让整个器件形成一定的外形，从而防止器件容易损坏 。

• 实现连接：芯片封测能够把芯片的电极和外界电路进行连通，像载片台承载芯片、环氧树脂粘合剂粘贴芯片、引脚支撑器件以及塑封体固定和保护器件等都是为了实现这一连接作用而存在的机制 。

• 辅助散热：半导体芯片工作会产生热量，当热量达到一定程度就会影响芯片功能。封装体的各种材料有一定的散热作用，对于发热量较大的芯片，还可以通过特定封测材料或者额外安装散热芯片来降温 。

• 确保可靠性：在封装工艺里，可靠性是一个非常关键的衡量指标，因为芯片一旦离开特定的理想化生产环境就容易损毁，所以必须在封测环节保障其可靠性 。

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二、芯片封测的主要步骤

（一）前段工序

• 晶圆减薄（wafer grinding）：刚生产出的晶圆（wafer）需要对其背面进行减薄操作，使厚度达到封装要求。在背面磨片过程中，要在正面粘贴胶带来保护电路区域，等到研磨完毕后，再把胶带去除 。

• 晶圆切割（wafer Saw）：把晶圆粘贴到蓝膜上，接下来将晶圆切割成为一个个独立的芯片个体，即Dice，然后对这些Dice进行清洗操作，从而让芯片进入下一步流程的时候处于洁净状态 。

• 光检查：在切割后的芯片个体上进行光检查环节，主要目的是筛查出在晶圆切割等前期工序中是否出现了残次品，确保后续进行封测的芯片基本是合格产品 []。

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• 芯片贴装（Die Attach）：这个阶段包含芯片贴装操作，而且为了防止氧化要对银浆进行固化，还要进行引线焊接。这一系列的操作是为了将芯片更好地安装在相应的位置，使得后续的连接工作可以有效开展 []。

（二）后段工序

• 注塑：使用EMC（塑封料）将产品封测起来，它能够防止外部冲击，同时借助加热使其硬化。此过程中塑封料包裹着芯片，为芯片提供外部的保护以及特定的形状构造等功能 []。

• 激光打字：利用激光在产品上刻下诸如生产日期、批次等等相应的内容。这样可以使得产品的批次、生产时间等信息变得清晰，有助于产品识别、质量追溯等多个方面 []。

• 高温固化：这一步骤主要是为了保护IC内部的结构，通过高温处理能够消除内部应力，让芯片在结构上更加稳定可靠 []。

• 去溢料：在芯片制作过程中可能会出现边角溢料的情况，所以要进行修剪边角的工作，确保芯片的外观尺寸符合要求以及功能不受影响 []。

• 电镀：电镀处理可以提高芯片的导电性能，增强其可焊接性，从而使得芯片在后续与其他电路元件连接的时候能够更加稳定地传输信号 []。

• 切片成型检查残次品：这一步骤是为了最终确定芯片是否合格，要对切片成型后的芯片进行仔细检查。只有通过了这个FT测试（Final Test）的产品才能够对外出货，确保流向市场的芯片是经过层层筛选后的合格产品 []。

三、芯片封测流程中的关键技术

（一）封装技术层面

• 不同封装材料的选择与应用：根据芯片的用途、性能要求以及成本等多种因素，可选择金属封装、陶瓷封装、塑料封装等。金属封装具有较好的散热性能和屏蔽性能，适用于一些对散热和抗干扰要求较高的芯片；陶瓷封装的耐高温性能、化学稳定性都比较强，常常用于高端芯片或者特殊环境下的芯片封装；塑料封装成本低、可塑性强，应用非常广泛，尤其在民用电子设备中的芯片封装利用率很高。不同封装材料在物理特性、电学特性方面各具优劣，需要结合实际需求进行科学选择 []。

• 引脚连接相关技术：

• 焊接技术创新：在将芯片的引脚与封装器件或者电路板连接的时候，焊接是一个关键环节。例如线缆焊接（Wire Bonding），这种焊接方式利用金属丝（通常是金线）将芯片引脚与外部的连接点连接起来。还有焊锡球（BGA球）焊接，它通过在芯片底面的焊盘上设置许多微小的焊锡球来实现与电路板的连接。焊接技术的好坏直接影响芯片与外部电路连接的稳定性和可靠性。如果焊接存在虚焊等情况，可能会导致电路断路或者信号传输异常等严重问题。

• 提高引脚密度的相关布局技术：现代芯片向着多功能化方向发展，对引脚的需求越来越多，这就要求引脚布局更加合理和高密度。例如球栅阵列（BGA）封装技术，通过阵列式的引脚布局（焊锡球），在较小的空间内设置了较多的引脚；还有无引脚封装（WLP）技术，虽然没有传统的引脚，但是通过特殊的布局方式在芯片尺寸缩小的情况下依然能够实现高引脚密度的连接 []。

（二）测试技术层面

• 功能测试技术：

• 自动化功能测试设备：对于芯片的功能测试，通常采用自动化测试设备（ATE）。这些设备具备高度自动化、多功能性和高精度的特点。高度自动化意味着可以在无需大量人工干预的情况下执行各种测试任务，节省人力成本和提高测试效率；多功能性体现为能够对芯片进行诸如数字电路功能、模拟电路功能、混合电路功能等多种类型的测试，从而全面评估芯片是否达到设计功能要求；高精度则保证了对芯片功能的精确测量和准确评估，确保测试结果的可信度高。

• 测试程序的优化：针对不同类型的芯片，要编写或优化适合的测试程序。测试程序需要确保对芯片各个功能模块的全覆盖测试，不留功能测试的死角。例如对于具有复杂逻辑功能的芯片，测试程序要对各种逻辑运算情况进行模拟验证，避免出现因测试不全面而使某些功能缺陷未被发现的情况。而且测试程序还要根据芯片设计的更新和应用场景的变化不断优化改进，确保测试的准确性和高效性。

• 可靠性测试技术：

• 多环境因素下的测试：为了确保芯片在不同工作环境下的可靠性，需要进行多环境因素下的测试。比如温度测试，要将芯片暴露在不同的温度环境下（从低温环境如 -40°C到高温环境如85°C - 125°C不等），观察芯片在冷启动、热启动以及长期在不同温度下稳定工作的性能表现。湿度测试则要考察芯片在不同湿度环境下是否会出现性能衰减或者短路等故障。此外，还要进行振动测试、抗静电测试等，模拟芯片在实际运输、使用过程中可能遇到的各种不利环境因素的影响。

• 耐用性和寿命测试技术：通过一些加速老化测试技术来评估芯片的耐用性和寿命。例如在高于正常工作电压或者温度的条件下让芯片运行一定时间，然后检查芯片的性能指标是否仍然在合格范围内，以此来推断芯片在正常使用条件下的使用寿命和可靠性情况。这种加速老化测试要依据科学合理的实验模型进行操作，确保测试结果的可参考性。

四、芯片封测流程实例分析

以普通消费电子设备中的一款CPU芯片为例：

（一）前期准备阶段

• 首先，这款芯片在晶圆制造完成后，晶圆厂会根据芯片封测厂的要求对晶圆进行初步的检测，主要是确保晶圆的基础质量，比如晶圆上的电路是否完整、有否制造瑕疵等。

• 封测厂拿到晶圆后进入封装环节的前期准备，选择适合的封装材料，由于是消费电子设备使用，要考虑成本因素，一般采用塑料封装材料，而且要根据CPU芯片的引脚数量、功耗等确定封装形式，如这种CPU可能适合采用方形扁平无引脚（QFN）封装形式，因为它适合于表面贴装且能满足一定的引脚和散热需求。同时，准备好如环氧树脂等粘结材料、封装用到的框架等相关材料。

（二）前段工序执行情况

• 晶圆减薄时，按照QFN封装的厚度要求，将晶圆背面进行打磨使厚度降低到合适数值。减薄过程中的技术关键是要精确控制厚度，因为这个厚度是后续各个工序顺利进行的基础，如果过薄可能导致芯片脆弱易碎，如果过厚则可能影响整个封装的结构或者导致与其他设备的适配问题。

• 随后进行晶圆切割，使用高精度的切割设备将晶圆按照芯片的大小切割成单独的Dice。这个过程需要注意切割的精度和对切割后芯片的清洁，以避免切割产生的残渣、碎屑对芯片造成污染或者损伤芯片电路。例如，切割过程中的一些微小金属残渣可能会导致电路短路。

• 光检查环节通过自动化的光学检测设备对切割后的芯片进行逐片扫描，检测的精度可以达到微纳米级别，能够发现芯片表面是否有划痕、电路是否有断点等各种残次品特征。如果发现次品，就做上标记并且将其分类出来，不进入下一环节。

• 芯片贴装过程中，将芯片准确地放置在封装框架内（这对于QFN封装来说框架结构和芯片的贴合精度要求高），采用环氧树脂进行粘贴，并完成银浆固化防止氧化，然后进行引线焊接。由于是CPU芯片，引线的布局和焊接质量直接影响到芯片与外部设备（如主板）的数据传输稳定性，所以焊接过程中的焊接技术参数（如焊接温度、焊接压力等）要严格控制。

（三）后段工序进展

• 注塑环节，采用特定的塑料封装料对芯片进行包裹注塑。在注塑过程中，控制注塑的温度、压力和速度等参数，确保封装料均匀地充满整个封装空间，避免出现空泡等缺陷。注塑形成的外壳形状对于QFN封装不仅起到保护芯片的作用，还影响到它在PCB板上的安装和散热性能等。

• 激光打字在芯片表面打上型号、生产批次等标识，标记的位置要精确且深度要适中，确保标识清晰可辨且不影响芯片的性能。例如不能因为标记过深而损坏芯片内部电路。

• 高温固化对于稳定芯片内部结构极为重要，在高温固化炉中按照规定的温度曲线（比如从升温到恒温再到降温的过程）进行处理。这个过程中的温度曲线是根据封装材料和芯片性能要求设定的，如果温度控制不当可能会导致封装材料与芯片之间产生应力进而影响芯片的性能或者长期稳定性。

• 去溢料主要是去除注塑过程中在芯片边缘产生的多余塑料，使芯片的外形规整，这个过程利用自动化的修边设备进行精确修整。

• 电镀环节通过电镀设备在芯片的引脚或者指定的表面镀上一层导电性能良好的金属层，提高芯片的导电和焊接性能。电镀的金属层厚度、均匀度都需要严格控制，不均匀的电镀层可能导致信号传输的差异性或者焊接时接触不良等问题。

• 最后切片成型检查残次品时，对芯片进行全面的质量检查，包括外观检查、功能测试等。外观检查看芯片的整体外形、标记是否正常等；功能测试会连接到专门的测试设备上，对芯片进行数据读取、指令执行等功能进行测试，只有完全符合要求的芯片才能成为合格产品出货。

五、芯片封测流程的优化方法

（一）工艺参数优化

• 温度相关的优化：在多个工序中温度是一个关键的控制参数。例如在焊接过程中，不同的焊接材料和芯片引脚材质可能需要不同的最佳焊接温度，温度过高可能导致焊点氧化或者芯片内部结构受损，温度过低则可能导致焊接不牢固。通过精确的实验探索和理论计算，可以找到最佳的温度参数，并且采用高精度的温控设备来准确实现这个温度控制。像在芯片高温固化环节，找到能够完全消除内部应力同时又不对芯片性能造成影响的温度范围，如通过采用数据采集设备监控芯片在不同温度固化后的应力情况，根据采集的数据进行分析得到最佳固化温度区间。

• 压力参数调整：像晶圆减薄时研磨的压力、芯片贴装时的粘贴压力以及注塑时的压力都需要优化。如果晶圆减薄时研磨压力过大，可能会使得晶圆表面平整度变差或者产生厚度不均匀的情况；芯片贴装时粘贴压力不稳定可能会导致芯片粘贴不牢固或者移位；注塑时压力如果不合理，就会产生比如注塑不完全或者封装料溢出速度过快无法控制等问题。可利用传感器等设备精确测量和监控这些压力参数，根据实际的测量结果来调整到最佳的压力数值。

（二）设备与材料升级

• 采用更先进的测试设备：传统的测试设备在功能的多样性、测试速度、测试精度方面可能存在不足。比如对于一些高速信号传输芯片的测试，新型的高速自动测试设备（ATE）能够提供更高的测试频率和更精确的信号测量，从而能够更全面地检测芯片在高速信号传输下的各项性能指标。而且随着芯片向更高集成度发展，一些测试设备也引入了更智能的诊断功能，可以根据测试结果快速定位芯片存在的故障可能位于哪个模块、哪条线路等。

• 选择高性能的封装材料：从基础的封装保护和性能需求提升出发，在已有的塑料、陶瓷、金属等封装材料基础上，开发一些新性能的材料或者对现有的材料进行改进。例如研发出散热性能更好且成本相对较低的新型塑料封装材料，或者改进陶瓷封装材料的韧性，使其在保证高可靠性的同时能够减少在制造过程中的破损率。

（三）质量监控体系强化

• 生产全过程的质量追溯：在芯片封测过程中，从晶圆进入工厂开始到最终成品出货的每一个步骤都建立详细的生产资料记录，当出现质量问题时能够快速地通过这些记录的数据追溯到哪一个环节出现了问题。例如记录每一批晶圆的来源、每一个芯片的切割时间、用的是哪个批次的封装材料等信息，以及每个芯片在各个测试环节的具体测试数据等。

• 抽样检测到全样本检测的逐步推进：传统的抽样检测可能存在一定的漏检风险，对于一些高可靠性要求或者高成本的芯片封测，可以逐步增加检测的范围甚至实现全样本检测，确保每一个流向市场的芯片都是完全合格的产品。当然全样本检测面临成本压力和检验效率的挑战，可以利用智能化的测试设备和算法，提高全样本检测过程的效率从而降低成本。

芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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