一、先進封裝Bumping技術基礎介紹

先進封裝中的Bumping技術（凸塊制造技術）是現(xiàn)代半導體封裝領域的關鍵技術之一。

• 技術起源與發(fā)展歷程

• Bumping技術起源于IBM在20世紀60年代開發(fā)的C4工藝，即可控坍塌芯片連接技術。該技術使用金屬共熔凸點將芯片直接焊在基片的焊盤上，這是集成電路凸塊制造技術的雛形，也是實現(xiàn)倒裝封裝技術的基礎，但當時這種封裝方式成本極高，僅用于高端IC的封裝，限制了其廣泛使用。例如在當時，這種技術主要應用于高端服務器芯片等對性能要求極高的領域，因為其他領域難以承受高昂的成本。

• 隨著時間的推移，C4工藝逐漸優(yōu)化，如采用在芯片底部添加樹脂的方法，增強了封裝的可靠性，促使低成本的有機基板得到發(fā)展，使得FC技術能在集成電路以及消費電子器件中以較低成本使用。在20世紀80年代到21世紀初，集成電路產業(yè)從日本向韓國、中國臺灣轉移，國際分工深化，凸塊制造技術由蒸鍍工藝轉變?yōu)闉R鍍與電鍍相結合的凸塊工藝，大幅縮小了凸塊間距，提高了產品良率。近年來，芯片集成度提高，細節(jié)距和極細節(jié)距芯片出現(xiàn)，推動Bumping技術朝著高密度、微間距方向發(fā)展，比如現(xiàn)在一些高端智能手機芯片的封裝就對Bumping技術的高密度、微間距特性有較高要求。

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• 技術的基本原理與作用

• Bumping技術是在芯片上制作凸塊，凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導電特性的凸起物。這些凸塊通過在芯片表面制作金屬凸塊提供芯片電氣互連的“點”接口，廣泛應用于FC（倒裝）、WLP（晶圓級封裝）、CSP（芯片級封裝）、3D（三維立體封裝）等先進封裝形式。它介于產業(yè)鏈前道集成電路制造和后道封裝測試之間，是晶圓制造環(huán)節(jié)的延伸，也是實施倒裝封裝工藝的基礎及前提。例如在倒裝封裝中，凸塊起到了連接芯片和基板的關鍵作用，代替了傳統(tǒng)以引線作為鍵合方式的封裝中的引線，實現(xiàn)了“以點代線”的突破，使得芯片與基板之間的連接更為緊湊和高效。

• 主要的凸塊類型及特點

• 金凸塊（Gold Bumping）：是一種利用金凸塊接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術，主要用于顯示驅動芯片封裝，少部分用于傳感器、電子標簽類產品。例如，目前LCD、AMOLED等主流顯示面板的驅動芯片都離不開金凸塊制造工藝。其工藝流程相對復雜，后續(xù)可通過倒裝工藝將芯片倒扣在玻璃基板、柔性屏幕或卷帶上，利用熱壓合或者透過導電膠材使凸塊與線路上的引腳結合起來。

• 銅鎳金凸塊（CuNiAu Bumping）：可優(yōu)化I/O設計、大幅降低了導通電阻。凸塊主要由銅、鎳、金三種金屬組成，在集成電路封測領域屬于新興先進封裝技術，是對傳統(tǒng)引線鍵合封裝方式的優(yōu)化方案。例如電源管理芯片需要具備高可靠、高電流等特性，且常在高溫環(huán)境下使用，銅鎳金凸塊可滿足這些要求并大幅降低導通電阻，因此主要應用于電源管理類芯片。它可以通過大幅增加芯片表面凸塊的面積，在不改變芯片內部原有線路結構的基礎上，對原有芯片進行重新布線，大大提高了引線鍵合的靈活性，并且由于銅的占比相對較高，具有天然的成本優(yōu)勢。

• 銅柱凸塊（Cu Pillar）：是利用銅柱接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)的制造技術。這是新一代芯片互連技術，后段適用于倒裝的封裝形式，應用十分廣泛。例如在覆晶封裝芯片的表面制作焊接凸塊，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打線封裝，可以縮短連接電路的長度、減小芯片封裝體積，使其具備較佳的導電、導熱和抗電子遷移能力。其制造主要步驟包括再鈍化、真空濺鍍、黃光、電鍍、蝕刻等。

• 錫凸塊（Sn Bumping）：利用錫接合替代引線鍵合實現(xiàn)芯片與基板之間電氣互聯(lián)。錫凸塊結構主要由銅焊盤和錫帽構成（一般配合再鈍化和RDL層），錫凸塊一般是銅柱凸塊尺寸的3 - 5倍，球體較大，可焊性更強（也可通過電鍍工藝，即電鍍高錫柱并回流后形成大直徑錫球），并可配合再鈍化和重布線結構，主要用于FC制程。多應用于晶圓級芯片尺寸封裝，可以達到小尺寸封裝，滿足封裝輕、薄、短、小的要求。

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二、先進封裝Bumping技術的工作原理

• 凸塊的制作過程

• 凸塊制造過程一般是基于定制的光掩模進行的。以常見的制作流程為例，首先是在芯片表面進行再鈍化處理，這一步驟是為了保護芯片表面免受后續(xù)工藝的影響，同時也為后續(xù)的金屬沉積提供合適的表面狀態(tài)。接著進行真空濺鍍，通過在真空環(huán)境下，利用離子轟擊靶材，使金屬原子沉積在芯片表面，形成一層薄薄的金屬膜，這層金屬膜可能是凸塊制作的基礎層，如銅層等。然后是黃光工藝，黃光工藝類似于光刻技術，通過光刻膠的涂覆、曝光、顯影等步驟，將設計好的凸塊圖案轉移到芯片表面的金屬膜上，確定凸塊的位置和形狀。之后進行電鍍工藝，在已經確定好圖案的區(qū)域進行電鍍，使金屬原子不斷沉積，逐漸形成凸起的凸塊結構。最后進行蝕刻工藝，去除不需要的金屬部分，從而得到最終的凸塊結構。不同類型的凸塊在具體工藝參數(shù)和步驟上可能會有所差異，例如金凸塊、銅柱凸塊等在電鍍的金屬材料和工藝控制上會根據(jù)各自的需求進行調整。

• 芯片與基板的連接方式

• 在芯片與基板的連接方面，Bumping技術提供了一種高效的“點連接”方式。以倒裝芯片封裝為例，在芯片上制作好凸塊后，通過將芯片倒扣在基板上，使凸塊與基板上對應的焊盤對準。然后可以采用熱壓合的方式，利用高溫和壓力使凸塊與焊盤之間的金屬原子相互擴散，形成良好的電氣連接；或者也可以使用導電膠材，將凸塊與線路上的引腳結合起來。這種連接方式相比于傳統(tǒng)的引線鍵合方式具有很多優(yōu)勢。傳統(tǒng)引線鍵合是通過金屬絲將芯片和基板連接起來，連接線路較長，而Bumping技術以點代線，大大縮短了連接電路的長度。例如在一些高頻高速信號傳輸?shù)男酒庋b中，較短的連接路徑可以減少信號傳輸延遲，提高信號傳輸?shù)乃俣群唾|量。同時，凸塊與基板之間的連接在機械性能上也更為穩(wěn)定，能夠承受一定程度的機械應力，提高了封裝的可靠性。而且這種連接方式有利于提高芯片的端口密度，因為凸塊可以在芯片表面更密集地排列，滿足現(xiàn)代芯片對于高密度I/O接口的需求。

• 信號傳輸與電氣特性

• 從信號傳輸?shù)慕嵌葋砜?，Bumping技術對提升芯片的電氣性能有著重要作用。由于凸塊提供了直接的電氣連接點，信號在芯片和基板之間傳輸時，不需要經過較長的引線，減少了信號的衰減和失真。在高速數(shù)字信號傳輸中，信號的上升沿和下降沿時間很短，如果傳輸路徑過長或者存在較多的寄生參數(shù)（如電感、電容等），就會導致信號波形的畸變，影響信號的完整性。而Bumping技術的短連接路徑和低寄生參數(shù)特性，使得信號能夠更快速、準確地傳輸。例如在一些高性能處理器芯片的封裝中，Bumping技術能夠確保數(shù)據(jù)在芯片和外部電路之間的高速傳輸，滿足處理器對大量數(shù)據(jù)快速處理的需求。在電氣特性方面，不同類型的凸塊也有各自的優(yōu)勢。如銅柱凸塊具有較好的導電和導熱性能，能夠有效地將芯片產生的熱量傳導出去，同時也能保證較低的電阻，減少電能在傳輸過程中的損耗；而金凸塊在某些對化學穩(wěn)定性要求較高的應用場景中，能夠提供良好的抗腐蝕性能，確保長期穩(wěn)定的電氣連接。

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三、先進封裝Bumping技術的優(yōu)勢和局限性

• 優(yōu)勢

• 一方面，Bumping技術實現(xiàn)的芯片與基板的連接更為穩(wěn)固。凸塊與基板之間的連接是通過金屬原子的擴散或者導電膠的粘結實現(xiàn)的，這種連接方式能夠承受一定的機械應力，如在芯片受到振動、沖擊或者溫度變化引起的熱膨脹和收縮時，凸塊連接不容易松動或斷裂。另一方面，由于凸塊的存在，可以減少芯片與基板之間因接觸不良而產生的電氣故障。例如在一些汽車電子芯片的封裝中，由于汽車行駛過程中的顛簸和溫度變化較大，采用Bumping技術可以提高芯片封裝的可靠性，保證汽車電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

• 許多凸塊材料（如銅柱凸塊等）具有良好的熱傳導性能。在芯片工作過程中，會產生大量的熱量，如果不能及時有效地將熱量傳導出去，就會導致芯片溫度過高，影響芯片的性能和可靠性。Bumping技術中的凸塊可以作為熱量傳導的通道，將芯片產生的熱量快速傳遞到基板或散熱器上。例如在一些高性能圖形處理芯片（GPU）的封裝中，通過Bumping技術連接的芯片能夠更有效地散熱，保證芯片在高負荷運行時的穩(wěn)定性。此外，良好的熱傳導性也有助于降低芯片內部的溫度梯度，減少因熱應力而產生的芯片損壞風險。

• 凸塊代替了原有的引線，大大縮短了信號傳輸路徑。信號傳輸路徑的縮短帶來了多方面的好處。首先，減少了信號延遲，在高速信號傳輸中，信號每經過一段傳輸線都會產生一定的延遲，而較短的路徑可以顯著降低這種延遲。例如在一些高頻通信芯片的封裝中，采用Bumping技術可以將信號延遲降低到納秒級甚至更小，提高了信號傳輸?shù)乃俣群托省Ｆ浯?，減少了信號傳輸過程中的干擾，因為較短的路徑意味著較少的電磁干擾源，同時也降低了信號反射的可能性，使得信號完整性得到提高。這對于一些對信號質量要求極高的應用，如高速數(shù)據(jù)中心芯片的封裝，非常關鍵。

• Bumping技術允許芯片擁有更高的端口密度。在傳統(tǒng)的引線鍵合封裝方式中，引線的尺寸和間距限制了芯片端口的密集程度。而Bumping技術通過在芯片表面制作微小的凸塊，這些凸塊可以更緊密地排列，大大增加了單位面積上的連接點數(shù)量。例如，在一些先進的微處理器芯片封裝中，通過Bumping技術可以實現(xiàn)數(shù)千個甚至更多的I/O接口，滿足了現(xiàn)代芯片功能日益復雜、對外部連接需求不斷增加的要求。這對于縮小芯片封裝尺寸、提高芯片集成度具有重要意義，使得更多的功能可以集成在更小的封裝空間內，如在一些可穿戴設備的芯片封裝中，小尺寸、高密度的封裝能夠滿足設備對小型化和多功能的需求。

• 實現(xiàn)高密度封裝

• 改善信號傳輸性能

• 具備優(yōu)良的熱傳導性

• 提高封裝可靠性

• 局限性

• 不同的凸塊材料與芯片、基板材料之間可能存在兼容性問題。例如，某些凸塊材料在與特定的芯片材料接觸時，可能會發(fā)生化學反應，導致接觸電阻增大或者連接可靠性下降。在一些復雜的多芯片封裝或者異構集成封裝中，可能會涉及到多種不同的材料體系，確保各種材料之間的兼容性是一個挑戰(zhàn)。此外，在高溫、高濕度等特殊環(huán)境下，材料之間的兼容性問題可能會更加突出，影響封裝的長期穩(wěn)定性。

• 凸塊的制作需要高精度的工藝控制。例如，在凸塊的電鍍過程中，要精確控制電鍍的厚度、均勻性等參數(shù)，如果電鍍不均勻，可能導致凸塊的高度不一致，影響芯片與基板的連接質量。在黃光工藝中，光刻膠的涂覆、曝光和顯影等步驟也需要極高的精度，任何微小的偏差都可能導致凸塊圖案的缺陷。此外，隨著芯片集成度的不斷提高，對凸塊的尺寸和間距要求越來越小，如現(xiàn)在一些先進封裝要求凸塊間距推進至10μm以下，這對工藝的穩(wěn)定性和可重復性提出了巨大的挑戰(zhàn)。工藝難度的增加不僅會導致產品的良率降低，還會增加制造成本和生產周期。

• Bumping技術的成本相對較高，這在一定程度上限制了它的廣泛應用。首先，凸塊制造過程涉及到復雜的工藝步驟，如定制光掩模、真空濺鍍、電鍍等，這些工藝需要高精度的設備和嚴格的工藝控制，設備的購置和維護成本高昂。例如，高精度的電鍍設備和光刻設備價格昂貴，而且需要專業(yè)的技術人員進行操作和維護。其次，一些用于制作凸塊的材料（如金等）本身成本較高，這也增加了整體的制造成本。在一些對成本較為敏感的大規(guī)模消費電子市場，如普通的低端手機芯片封裝，過高的成本可能使得廠商更傾向于選擇傳統(tǒng)的封裝技術。

• 成本較高

• 工藝難度較大

• 材料兼容性問題

四、先進封裝Bumping技術的應用案例

• 在移動設備芯片封裝中的應用

• 在現(xiàn)代智能手機和平板電腦等移動設備中，Bumping技術發(fā)揮著重要作用。以智能手機中的應用處理器（AP）芯片為例，這些芯片功能復雜，需要與多個外部組件（如內存、基帶芯片、傳感器等）進行高速通信和數(shù)據(jù)傳輸。Bumping技術的高密度端口特性能夠滿足AP芯片眾多的I/O接口需求，實現(xiàn)與其他芯片的高效連接。例如，通過Bumping技術將AP芯片與高速內存芯片進行倒裝封裝連接，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速度，從而提升整個手機系統(tǒng)的運行速度。同時，移動設備對小型化和輕薄化的要求極高，Bumping技術有助于實現(xiàn)芯片的小尺寸封裝，如采用錫凸塊或銅柱凸塊技術，可以使芯片封裝在滿足性能要求的同時，體積更小、重量更輕，符合移動設備的設計需求。此外，在移動設備的攝像頭芯片封裝中，Bumping技術也能提高芯片與基板之間的連接可靠性，保證攝像頭在各種環(huán)境下（如拍攝過程中的振動、溫度變化等）都能正常工作。

• 在高性能計算芯片封裝中的應用

• 在高性能計算領域，如數(shù)據(jù)中心的服務器芯片和超級計算機芯片等，Bumping技術是實現(xiàn)高性能封裝的關鍵。對于服務器芯片而言，大量的數(shù)據(jù)處理需要芯片具備高速的信號傳輸能力和高端口密度。Bumping技術通過縮短信號傳輸路徑和提高端口密度，能夠滿足服務器芯片對大量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)男枨?。例如，在一些多核處理器芯片的封裝中，采用Bumping技術可以實現(xiàn)各個核心之間以及核心與外部存儲、網絡接口等的高速連接，提高整個服務器系統(tǒng)的計算性能。在超級計算機芯片中，Bumping技術的優(yōu)良熱傳導性有助于解決芯片高功率運行時的散熱問題。由于超級計算機芯片運算速度極快，產生的熱量巨大，良好的熱傳導通道可以保證芯片在安全的溫度范圍內運行，避免因過熱而導致的性能下降或芯片損壞。

• 在汽車電子芯片封裝中的應用

• 汽車電子系統(tǒng)對芯片封裝的可靠性要求極高，因為汽車行駛過程中會面臨各種復雜的環(huán)境條件，如振動、高溫、低溫、潮濕等。Bumping技術在汽車電子芯片封裝中的應用主要體現(xiàn)在提高可靠性方面。例如，汽車發(fā)動機控制單元（ECU）芯片需要在高溫、振動的環(huán)境下穩(wěn)定工作，采用Bumping技術可以確保芯片與基板之間的穩(wěn)固連接，減少因振動導致的電氣連接故障。同時，在汽車的自動駕駛系統(tǒng)芯片封裝中，Bumping技術的信號傳輸性能優(yōu)勢可以保證芯片與傳感器、控制器之間的高速、穩(wěn)定通信，提高自動駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性。而且，隨著汽車電子朝著智能化、集成化方向發(fā)展，Bumping技術的高密度封裝特性也有助于在有限的空間內集成更多的功能芯片，如將多個傳感器芯片、控制芯片等集成封裝在一起，提高汽車電子系統(tǒng)的集成度。

五、先進封裝Bumping技術的未來發(fā)展趨勢

• 朝著更小尺寸和更高密度發(fā)展

• 隨著芯片技術的不斷進步，對Bumping技術的尺寸和密度要求也越來越高。未來，凸塊的尺寸將進一步縮小，間距也將更小。例如，目前已經有研究在探索將凸塊間距推進至10μm以下甚至更小的尺寸，這將使得芯片能夠在單位面積上集成更多的I/O接口，進一步提高芯片的集成度。這種趨勢在人工智能芯片、5G通信芯片等對高性能和高集成度有強烈需求的領域尤為明顯。更小尺寸和更高密度的Bumping技術將有助于實現(xiàn)芯片的小型化，滿足未來電子設備不斷縮小體積的需求，同時也能提高芯片的性能，如提高信號傳輸速度、降低功耗等。為了實現(xiàn)這一目標，需要不斷研發(fā)新的工藝技術和設備，提高工藝的精度和穩(wěn)定性，如開發(fā)更先進的光刻技術用于凸塊圖案的制作，以及更精確的電鍍和蝕刻技術來控制凸塊的尺寸和形狀。

• 與其他先進封裝技術的融合

• Bumping技術將與其他先進封裝技術更加緊密地融合。例如，與晶圓重布線技術（RDL）的結合將更加深入。RDL技術可以對原來設計的集成電路線路接點位置（I/O Pad）進行優(yōu)化和調整，與Bumping技術相結合后，可以進一步提高芯片的電氣性能和封裝靈活性。在3D封裝技術中，Bumping技術將成為實現(xiàn)芯片垂直互連的重要組成部分。通過在不同層的芯片上制作凸塊，實現(xiàn)芯片之間的垂直連接，從而構建三維的芯片集成結構，提高芯片的集成度和性能。此外，Bumping技術還將與系統(tǒng)級封裝（SiP）技術相結合，在一個封裝內集成多個不同功能的芯片，形成一個完整的系統(tǒng)。這種融合將使得封裝后的芯片具有更高的性能、更小的尺寸和更低的成本，滿足未來復雜電子系統(tǒng)對芯片封裝的需求。

先進芯片封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據(jù)主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

合明科技運用自身原創(chuàng)的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。