封测环节系半导体整体制程的关键环节
思瀚产业研究院 大族封测    2023-12-29

半导体元器件的制造工艺包括前道制造工艺和后道封测工艺。封测环节，是连接晶圆到元器件的桥梁，位于半导体元器件设计之后、终端产品之前，属于半导体制造的后道工序。

其中封装工艺是将芯片在基板上进行布局、固定及连接，并用可塑性绝缘介质灌封形成电子产品的过程，目的是保护芯片免受损伤，保证芯片的散热性能，以及实现电能和电信号的传输，确保系统正常工作；测试工艺是用专业设备，对产品进行功能和性能测试。

根据 SEMI 对全球半导体封装设备市场的数据统计，封测设备占半导体设备整体市场份额的约 15%，属于核心制程设备。随着下游应用场景的不断丰富，对封测环节制程技术的要求不断提高，半导体封测逐渐步入产业链核心地带，成为延伸摩尔定律的主要支柱之一。

在封装制程中，每个环节、工艺阶段均对应一定类型的封装设备。其中，LED 芯片封装设备主要包括扩晶机、固晶机、焊线机、灌胶机、分光机、编带机等。半导体封装设备主要包括减薄机、切割机、固晶机、焊线机等。

（1）LED 封装领域

LED 封装是 LED 产业链中的关键环节。通过封装，能够为 LED 芯片提供电输入、机械保护及散热途径，实现光的高效、高品质输入。LED 领域的主要封装工序包括固晶、焊线、灌胶、分光分色和编带。

（2）半导体封测领域

相较于 LED 封装领域，半导体领域封测一般从晶圆（Wafer）开始，经过减薄和划片工序将晶圆切成晶片，并达到封装所需的厚度。但在晶片阶段，半导体领域封测同样需要将芯片固定在特定载体上，并且通过键合线将晶片与特定载体连接，形成与外界相通的信号传输渠道。因此，半导体领域封测也包含固晶及焊线工序，且该等工序在设备及技术方面与 LED 领域封装存在一定共同性，主要差异在于加工精度。

（3）封装互连技术的分类

根据芯片封装互连技术的不同，半导体封装互连技术主要分为引线键合（适用于引脚数 3-257）、载带自动焊（适用于引脚数 12-600）和倒装焊（适用于引脚数 6-16000）。

1）引线键合

引线键合工艺流程：在芯片电极(Pad)和支架引脚以线键合封装(Lead)上，通过键合线的超声波热压焊接，形成可靠的电气连接；芯片电极与金线连接处为金球焊接，支架与金线连接处为锲形鱼尾连接。

目前适用引线键合互连的封装技术主要为 SIP、DIP、SOP、QFP、QFN、WB-BGA、3D/2.5D 封装、SiP 等。

2）载带自动焊

载带自动焊（Tape Automated Bonding，简称 TAB）是一种将晶片安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的组装技术，属于芯片引脚框架的一种互连工艺。TAB 的工艺流程为：首先在高聚物上做好元件引脚的导体图样，其次将晶片按其键合区对应放在上面，再将芯片上的凸点与载带上的焊点焊接在一起，通过热电极一次将所有的引线进行批量键合，最后对焊接后的芯片进行密封保护。

3）倒装焊

倒装焊是在芯片的电极上预制凸点，再将凸点与基板或引线框架对应的电极区相连。集成电路芯片的有源面朝下与载体或基板进行连接。芯片和基板之间的互连通过芯片上的凸点结构和基板上的键合材料来实现，这样可以同时实现机械互连和电学互连。对于高密度的芯片，倒装焊在性能上具备较强的优势。

通常载带自动焊和倒装焊互联的电学性能好于引线键合，但是都需要额外的设备。因此，对于 I/O 数目较少的芯片，载带自动焊和倒装焊会导致产品成本较高，另外，在3D 封装中，堆叠的芯片不能都倒扣在封装体上，只能通过引线键合或 TSV 与封装体之间进行互连。

基于上述原因，引线键合一直作为芯片互连的主流技术，是芯片电学互连中重要的实现手段及方法。

（4）引线键合为封测环节核心工艺，随材料及技术的升级不断演变

引线键合技术有着兼容性强、成本低，可靠性高、技术成熟等优点，是封装技术的主力，目前超过 90%的芯片互连封装依靠引线键合技术完成，未来引线键合将在多数芯片封装中作为主要的互联技术长期存在，并持续应用于大量封装类型。2015-2021 年，全球引线键合市场规模年均复合增长率为 2.1%，维持稳步增长。

其余未应用引线键合技术的封装，多用于小部分对集成度和精度要求较高或具有特殊性能的芯片封装环节中，应用场景相对有限。随着未来焊线机及焊线材质的多元化，结合新材料、新工艺、新技术的应用，引线键合将进入更多的封装工艺流程中，满足半导体封装的大量需求。