凸块制造（Bumping）在先进封测技术中的重要性
思瀚产业研究院 汇成    2024-08-04

1、凸块制造的概念

凸块制造是一种新型的芯片与基板间电气互联的方式，这种技术通过在晶圆上制作金属凸块实现。

具体工艺流程为：晶圆在晶圆代工厂完成基体电路后，由封测代工厂在切割之前进行加工，利用薄膜制程、黄光、化学镀制程技术及电镀、印刷技术、蚀刻制程，在芯片的焊垫上制作金属焊球或凸块。

相比传统的打线技术向四周辐射的金属“线连接”，凸块制造技术反映了“以点代线”的发展趋势，可以大幅缩小芯片体积，具有密度大、低感应、低成本、散热能力优良等优点；且凸块阵列在芯片表面，引脚密度可以被做得极高，便于满足芯片性能提升的需求。此外，凸块的选材、构造、尺寸设计会受多种因素影响，例如封装大小、成本、散热等性能。

2、凸块制造技术的起源

凸块制造技术起源于 20 世纪 60 年代。

上世纪 60 年代，IBM 公司开发了倒装芯片技术，第一代倒装芯片为具有三个端口的晶体管产品。随着电子器件体积的不断减小以及 I/O 密度的不断增加，20 世纪 70 年代，IBM 公司将倒装芯片技术发展为应用在集成电路中的 C4 技术，C4 技术通过高铅含量的焊料凸块将芯片上的可润湿金属焊盘与基板上的焊盘相连，C4 焊球可以满足具有更细密焊盘的芯片的倒装焊要求。此后凸块制造技术进一步发展，利用熔融凸块表面张力以支撑晶片的重量及控制凸块的高度。

IBM 公司开发出的初代凸块制造技术奠定了凸块制造技术的底层工艺，并就该技术申请了发明专利。IBM 公司通过高铅焊料蒸镀工艺进行凸块加工，使用高温/低温共烧陶瓷载板（基板）进行互联，受该工艺方案限制，当时凸块间距较大（>250μm）、焊接温度过高（>300℃），且生产成本高居不下，极大限制了凸块制造技术的推广和应用。

3、凸块制造技术的发展

随着集成电路行业的发展，新的凸块制造工艺打破了初代技术的困局，其发展阶段与集成电路行业的两次重大产业转移以及显示面板产业的发展密切相关。

集成电路行业的第一次产业转移在 1970-1980 年代由美国至日本：美国作为集成电路的发源地，20 世纪 70 年代间，前 10 大集成电路制造商几乎均来自美国。

日本在美国技术支持与本国政策与资金支持下，依托家电和工业级计算机产业繁荣发展实现反超，在 20 世纪 80 年代末，前 10 大集成电路制造商中有一半以上来自日本。与此同时，日本本土对面板智能化、轻薄化的需求增加，随之涌现大批日本封测技术厂商，凸块制造技术在这期间得到较大发展。

第二次集成电路行业产业转移在20世纪80年代-21世纪初，由日本至韩国、中国台湾：凭借低廉人工成本及大量高素质人才，韩国顺应消费级 PC 的趋势快速发展，而中国台湾在晶圆代工厂、芯片封测领域的垂直分工下出现市场机会，韩国与中国台湾迅速取代日本在集成电路产业大部分的市场份额。

面板产业亦转移至韩国与中国台湾，凸块制造技术在产业化及转移的过程中随着终端应用的需求不断被优化，溅射凸块底部金属工艺和电镀凸块工艺取代了原先成本高昂的蒸镀技术方案，并将凸块间距缩小至 200μm 以下，原材料亦出现多元化，生产良率不断上升。2010 年以来，全球集成电路产业与显示面板产业向中国大陆转移的趋势增强。

随着集成电路晶圆制程技术从 2000 年左右的 300nm 发展到目前的 7nm，凸块间距也发展到 100μm 以下的极细间距领域，单芯片上的金属凸块超过 1,500个，需要每个凸块都同基板上的线路形成良好电气接触，高密度细间距凸块布局对封测企业的凸块制造技术提出了极高要求。目前凸块制造技术底层工艺专利已成为公开技术，国内外同行业公司凸块制造技术均在原有凸块制造底层工艺上进行各个环节的技术创新，以达到终端应用发展的需求。

4、凸块制造技术是先进封装技术发展与演变的重要基础

随着集成电路行业技术的进步与终端电子产品需求的提高，凸块制造技术也不断突破技术瓶颈、实现大规模产业化，并发展成为关键的高端先进封装技术之一。凸块制造技术的重要性在于它是各类先进封装技术得以实现进一步发展演化的基础。

倒装芯片（FC）技术、扇出型（Fan-out）封装技术、扇进型（Fan-in）封装技术、芯片级封装（CSP）、三维立体封装（3D）、系统级封装（SiP）等先进封装结构与工艺实现的关键技术均涉及凸块制造技术。

硅通孔技术（TSV）、晶圆级封装（WLP）、微电子机械系统封装（MEMS）等先进封装结构与工艺均是凸块制造技术的演化延伸。

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