半导体固晶工艺及设备研究

郑嘉瑞

深圳市联得自动化装备股份有限公司

摘要：

对半导体固晶工艺进行研究，具体包括粘合剂键合工艺、共晶键合工艺、软焊料键合工艺、银烧结键合工艺、热压键合工艺、倒装芯片键合工艺。对半导体固晶设备的种类和重要技术指标进行介绍，对发展现状进行分析，并展望了发展趋势。

１　半导体产业和封装概述

半导体产业具体包括上游半导体材料与设备、中游半导体制造、下游应用。我国半导体产业起步较晚，但是经过近十年的快速发展，我国已经成为全球最大的半导体产品消费市场，同时也是全球最大的半导体设备市场。半导体产业一直遵循一代装备、一代工艺、一代产品的模式高速发展，对半导体工艺及装备的研究是产业不断进步的核心动力，是半导体产品得以产业化和批量生产的保证。

半导体封装技术的发展史是芯片性能不断提高，系统不断小型化的历史，封装技术的内驱力已从高端智能手机领域演变为高性能计算和人工智能等领域。半导体封装技术发展的四个阶段见表１。

随着半导体光刻工艺制程节点走向１０ ｎｍ、７ ｎｍ、５ ｎｍ、３ ｎｍ、２ ｎｍ，研发生产成本持续走高，良率下降，摩尔定律趋缓。从产业发展趋势看，当前受晶体管密度物理极限制约和制造成本巨额上升影响，封装正在朝小型化、高密度、高性能、高速度、高频率、高集成化的方向发展，半导体产业进入后摩尔时代，先进工艺不再只是着力于晶圆制造技术节点的推进，逐渐转向先进封装技术。先进封装技术不仅可以提升功能，提高产品价值，而且能够有效降低制造成本，成为延续摩尔定律的重要路径。一方面采用芯粒技术，将复杂系统拆分为若干个可以用异质异构封装的封装技术。另一方面采用集成系统技术，对不同材料、结构的器件进行集成，具有独特的功能优势。利用微电子工艺实现多种功能、不同材料器件的集成，实现从集成电路发展到集成系统。

半导体封装是芯片产品化的起点，是沟通芯片内部世界与外部系统的桥梁。当前，除了传统半导体封测公司进行封装外，半导体晶圆代工厂、半导体设计公司、整合元器件公司都在积极发展先进封装或相关关键封装技术。

传统封装工艺主要流程为晶圆减薄、切割、固晶、引线键合、塑封、电镀、切筋成型等。其中，固晶工艺是最为复杂和关键的封装工艺之一，固晶工艺装备也是半导体封装中最为关键的核心装备之一，是市场价值量最高的封装设备之一。尽管先进封装技术采用了前道制程的光刻、刻蚀、金属化、平坦化等工艺，但是最主要的封装制程仍然是固晶工艺。

２　半导体固晶工艺

２． １　概述

固晶工艺又称装片、上芯、粘片、芯片键合工艺等，固晶工艺如图１ 所示。通常说固晶，是将芯片从晶圆上采用焊头吸嘴利用真空拾取，在视觉引导下放置在引线框架或者封装基板的指定焊盘区域，使芯片和焊盘粘结固定。固晶工艺质量和效率会直接影响后续引线键合的质量和效率，因此固晶是半导体后道工序中关键技术之一。

针对不同的半导体产品封装工艺，目前主要有六种固晶工艺技术方式，即粘合剂键合、共晶键合、软焊料键合、银烧结键合、热压键合工艺、倒装键合工艺。实现良好的芯片粘结，需要使固晶过程中的重点工艺要素相互配合，主要包括固晶材料、温度、时间、压力等要素。

２． ２　粘合剂键合工艺

粘合剂键合时，在放置芯片前需要先在引线框架或封装基板上涂一定剂量的粘合剂，然后由固晶焊头拾取芯片，通过机器视觉引导，精确地将芯片放置于引线框架或封装基板涂有粘合剂的键合位置上，通过固晶机焊头对芯片施加一定的固晶力，在芯片和引线框架或封装基板之间形成粘合层，达到粘结、安装、固定芯片的目的。这一固晶工艺，由于在固晶机前需要涂粘合剂，也称为点胶固晶工艺。

常用的粘合剂有环氧树脂、导电银浆等半导体材料。粘合剂键合由于工艺相对较为简单，成本较低，且有多种材料可以使用，因此是目前应用最为广泛的半导体芯片固晶工艺。

２． ３　共晶键合工艺

共晶键合时，一般在芯片底部或者引线框架上预先敷上共晶键合材料，由共晶键合装备拾取芯片，通过机器视觉系统引导，精确地将芯片放置于引线框架相应的键合位置，芯片和引线框架在加热、压力的共同作用下在芯片与封装基板之间形成共晶键合界面。共晶键合工艺常应用于引线框架、陶瓷基板封装。

共晶键合材料一般由两种材料在一定温度下混合而成，常用的有金和锡、金和硅等。采用共晶键合工艺时，引线框架所在的轨道传输模组会预先对框架进行加热。共晶键合工艺实现的关键在于共晶键合材料能够在远低于两种组成材料熔点的温度下熔化而形成键合。为了防止在共晶键合过程中框架被氧化，共晶键合工艺也常采用氢氮混合气等保护气体输入至轨道内部，对引线框架进行保护。

２． ４　软焊料键合工艺

软焊料键合时，在放置芯片前，在引线框架上的键合位置进行点锡和压锡，或者双画锡，引线框架还需在轨道中进行分区加热。软焊料键合工艺的优势是导热性好，缺点是容易氧化，工艺较为复杂，适用于功率器件的引线框架封装，如晶体管外形封装。

２． ５　银烧结键合工艺

当前第三代功率半导体芯片键合工艺最有前途的是利用金属粒子烧结技术，在导电胶中混有负责连接的环氧树脂之类的聚合物，具有优异的导电、导热、高温服役特性，同时是近年来第三代半导体封装进一步突破的关键技术。

２． ６　热压键合工艺

在高性能三维集成电路的封装应用中，由于芯片互连输入／ 输出节距、凸块尺寸和节距的持续缩小，半导体公司英特尔推出了热压键合工艺，用于先进的小间距接合应用，粘合４０ ～ ５０ μｍ 间距，甚至１０ μｍ 间距的微小凸块芯片。热压键合工艺适用于芯片至晶圆和芯片至基板的应用场合。作为一种快速的多步骤工艺，热压键合工艺面临着工艺控制问题的挑战，如温度不均匀、小体积焊料熔化的不可控性。热压键合时，温度、压力、位置等需达到精确控制要求。

２． ７　倒装芯片键合工艺

倒装芯片键合工艺原理如图２ 所示。翻转机构从晶圆上将芯片拾起，并翻转１８０°转交芯片。焊头吸嘴从翻转机构上将芯片拾起，此时芯片的凸点方向向下。焊头吸嘴移动至封装基板上方后，向下运动，将芯片粘结固定在封装基板上。

倒装芯片封装是一种先进的芯片互连技术，已经成为先进封装技术的主要发展方向，具有高密度、高性能、轻薄短小的特点，可满足智能手机和平板电脑等消费电子产品的发展要求。倒装芯片键合工艺使封装成本更低，并且能够实现堆叠芯片和三维封装，在２． ５维／ 三维集成封装、晶圆级封装、系统级封装等封装技术领域均有广泛应用。倒装芯片键合工艺是目前先进封装技术中应用最多、最广泛的固晶键合工艺。

３　固晶设备

３． １　概述

在半导体封装领域，对应不同固晶工艺的半导体设备，都可以统称为固晶机，也称上芯机、粘片机、装片机、芯片键合机等。一般固晶机主要由晶圆工作台、点胶系统、固晶焊头系统、物料传输系统、视觉系统、上下料系统等组成。不同种类的固晶机在主要组成部分上的设计有所不同，较大的区别在于点胶系统、固晶焊头系统、物料传输系统。这些组成系统基于光、机、电、软件、算法等多学科交叉基础知识，融合多种关键底层技术，如视觉对位系统开发、精密结构设计仿真、高速高精多轴运动控制等。只有将上述基础科学理论、底层关键技术与封装固晶工艺紧密结合起来，才能实现固晶工艺，完成固晶机的设计开发。

固晶机可高速度、高精度取放芯片，并实现点胶、定位、对准、倒装、连续取放等关键动作步骤。在每小时可以生产的芯片数量，即生产产能方面，传统封装半导体固晶机可以达到１５ ０００ ～ ２０ ０００，高速固晶机可以达到２５ ０００，个别高速固晶机可以达到１２０ ０００。先进封装固晶机的生产产能较低，倒装固晶机的生产产能为５ ０００ ～８ ０００，２． ５ 维／ 三维固晶机的生产产能则为２ ０００。

３． ２　种类

按照固晶机应用的半导体细分产品不同，固晶机可以分为发光二极管固晶机、分立器件固晶机、集成电路固晶机。其中，发光二极管固晶机的国产化率最高。相对而言，集成电路固晶机产品种类较多，对设备的精度、速度、稳定性要求最高，国产化率最低。

后摩尔时代，封装技术日新月异，先进封装占比逐渐提高。对于不同封装形式，如小型晶体管封装、晶体管外形封装、双边或方形扁平无铅封装、球状引脚栅格阵列封装等传统封装，对应传统封装固晶机，而２． ５维／三维封装、系统级封装、晶圆级封装、板级封装等，对应先进封装固晶机。

针对不同的封装形式，有多种固晶工艺。按照不同固晶工艺，可分为银浆固晶机、共晶固晶机、软焊料固晶机、银烧结固晶机、热压键合机、倒装固晶机，银浆固晶机也称点胶固晶机。粘合剂固晶机是半导体封装工艺中应用最为广泛，也是市场需求最大的一种固晶机。软焊料固晶机和银烧结固晶机主要应用于绝缘栅双极晶体管等功率半导体芯片键合。倒装固晶机与其它固晶机的主要区别在于从晶圆上取起芯片后，进行翻转，使芯片表面向下，使用芯片上的凸点与基板上的引线进行直接粘结，不需要进行后续的引线键合工艺，就可实现芯片基板互联。由于倒装键合工艺是先进封装工艺中最为成熟、占比最大的工艺，因此倒装固晶机的市场需求很大，并且随着先进封装工艺占比的继续提升，倒装固晶机的市场需求还将继续增大。

３． ３　技术指标

固晶工艺种类较多，相应的固晶设备种类也较多。后摩尔时代，封装工艺的重要性显著提升，对设备要求也随之提高。基本上，对于所有固晶机而言，精度和速度是两个重要技术指标，同时满足这两个指标，是当前固晶设备面临的挑战。

影响固晶机工艺精度的因素主要有设备机械结构设计、运动控制系统、视觉识别三个方面。对于一般分立器件固晶机而言，固晶精度要求为３０ ～ ５０ μｍ，而对于集成电路固晶机而言，一般固晶精度要求为２５ μｍ以内，高精度甚至要求达到１ ～３ μｍ。

设备的生产速度影响整条封测产线产能，固晶机的生产速度，即生产产能，也是一个重要的技术指标。

３． ４　现状

在半导体封装工艺中，伴随封装工艺的不断发展，固晶设备种类较多。整体而言，低端市场的固晶机国产化占有率高，中高端市场的固晶机主要依赖进口。

根据相关研报资料，外资半导体设备公司ＢＥＳＩ 和ＡＳＭ 的固晶机依靠自身在关键底层技术上领先、种类齐全、先进封装固晶机迭代效率高等优势，一直垄断市场，占据全球市场份额高达６０％ 。其它外资半导体设备公司基本只在单一领域份额较高。

日本半导体设备公司Ｆａｓｆｏｒｄ 在存储芯片固晶领域较为领先，日本半导体设备公司Ｓｈｉｂａｕｒａ 在显示驱动芯片固晶领域垄断，美国半导体设备公司ＭＲＳＩ、德国半导体设备公司ＦｉｎｃｏｎＴｅｃ 在光通信固晶机领域领先，德国纽豹公司在射频识别固晶机领域基本垄断，瑞士Ｉｎｆｏｔｅｃｈ 公司占据绝缘栅双极晶体管模块、烧结固晶机市场较大份额，国内半导体固晶机公司新益昌在发光二极管固晶领域市场占有率较高。

在先进封装领域，ＢＥＳＩ 和ＡＳＭ 公司同样在这一领域具备领先优势和垄断地位。ＢＥＳＩ 公司通过和美国半导体公司Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 合作，开发混合封装设备。ＡＳＭ 公司和英特尔公司联合开发热压封装设备。此外，垄断焊线机领域的美国半导体设备公司Ｋ＆Ｓ 也在先进封装领域推出了针对混合封装的固晶设备。

３． ５　发展趋势

第一，亚微米固晶精度。

随着芯片封装工艺集成度提升，线宽越来越小，焊盘越来越小，对半导体设备的固晶精度要求越来越高。未来集成电路固晶机的主流固晶精度为２５ μｍ 以内，固晶精度５０ μｍ 只适用于低端产品封装工艺。针对激光通信、光模块、摄像头芯片组装等行业，高精度固晶要求为３ ～５ μｍ。倒装固晶机的固晶精度要求将达到１ μｍ 左右。对于芯片至晶圆、芯片至芯片、晶圆至晶圆等先进封装混合固晶工艺，固晶精度要求将达到亚微米。

第二，多芯片多功能。

对于２． ５ 维／ 三维封装、多芯片模组封装、系统级封装等高密度复杂封装形式，封装器件结构相对复杂，封装产品附加值高，由多种芯片组建成一个集成系统，更注重设备上料方式的多元化，可兼容晶圆、托盘等，且兼容点胶和共晶工艺于同一台设备，采用可编程的柔性固晶工艺，可满足多功能固晶需求。目前针对这一发展趋势，ＢＥＳＩ 公司的Ｄａｔａｃｏｎ ２２００ 系列固晶机在国内外市场占有较大份额，如图３ 所示。

第三，晶圆尺寸改变。

晶圆尺寸不断增大是集成电路产业一直以来的发展趋势，由最初的４ ｉｎ（１ ｉｎ ＝ ２５． ４ ｍｍ）、６ ｉｎ，一直发展到现在主流的８ ｉｎ、１２ ｉｎ。根据最新的国际电子器件与系统技术路线图，１８ ｉｎ 设备的大生产线代替时间延后至２０２５ 年之后。另外，晶圆级封装从传统的８ ｉｎ或１２ ｉｎ 晶圆形式封装向长方形板级封装发展，长方形基板尺寸从３００ ｍｍ ×３００ ｍｍ、４５７ ｍｍ ×６１０ ｍｍ、５１０ｍｍ ×５１５ ｍｍ 提升至６００ ｍｍ ×６００ ｍｍ。从固晶设备角度看，主要的挑战在于基板尺寸和形状变化导致相应的晶圆工作台等设备组成模组需要重新进行相应的设计。

第四，倒装固晶设备需求增大。

据咨询公司数据，２０２０ 年先进封装全球市场规模约３２０ 亿美元，预计到２０２７ 年，先进封装全球市场规模将达到６５０ 亿美元，倒装工艺在其中占比最高。随着人工智能等先进高性能计算进一步发展和商业化应用，先进封装占比持续提高。倒装固晶工艺作为较为成熟的先进封装工艺，将被广泛应用，并将混合共晶、点胶等工艺，使倒装设备的需求持续增大。

第五，半导体设备与封测公司联合开发。

先进封装技术种类繁多，除领先的三星、英特尔等半导体公司外，国内领先的半导体封测公司，如江阴长电、通富微电、华天科技等都分别研发出具有自主知识产权的先进封装工艺。这些工艺对固晶设备提出了更高的客制化要求。未来，会有更多的设备来自于半导体设备公司和封测公司的协同开发。

４　结束语

半导体封装固晶工艺与设备有十分密切的关系，固晶设备是固晶工艺的实践基础和生产保证。随着半导体封装工艺的发展，先进封装制程中的固晶工艺对固晶设备提出了更高的要求，集光、机、电、软件、算法于一体的高速度、高精度、高稳定性的固晶设备将会成为核心。

当前，集成电路固晶机等高端固晶机市场仍然被进口设备垄断。随着国产代替进程的加快，先进封装工艺的厂商需向设备厂商提出明确的需求，甚至需要与设备厂商协同开发关键固晶装备，为国产集成电路固晶机厂商提供研发试用、升级迭代、量产的机遇。