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凸塊制造（Bumping）在先進(jìn)封測(cè)技術(shù)中的重要性
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 匯成    2024-08-04

1、凸塊制造的概念

凸塊制造是一種新型的芯片與基板間電氣互聯(lián)的方式，這種技術(shù)通過在晶圓上制作金屬凸塊實(shí)現(xiàn)。

具體工藝流程為：晶圓在晶圓代工廠完成基體電路后，由封測(cè)代工廠在切割之前進(jìn)行加工，利用薄膜制程、黃光、化學(xué)鍍制程技術(shù)及電鍍、印刷技術(shù)、蝕刻制程，在芯片的焊墊上制作金屬焊球或凸塊。

相比傳統(tǒng)的打線技術(shù)向四周輻射的金屬“線連接”，凸塊制造技術(shù)反映了“以點(diǎn)代線”的發(fā)展趨勢(shì)，可以大幅縮小芯片體積，具有密度大、低感應(yīng)、低成本、散熱能力優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)；且凸塊陣列在芯片表面，引腳密度可以被做得極高，便于滿足芯片性能提升的需求。此外，凸塊的選材、構(gòu)造、尺寸設(shè)計(jì)會(huì)受多種因素影響，例如封裝大小、成本、散熱等性能。

2、凸塊制造技術(shù)的起源

凸塊制造技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 60 年代。

上世紀(jì) 60 年代，IBM 公司開發(fā)了倒裝芯片技術(shù)，第一代倒裝芯片為具有三個(gè)端口的晶體管產(chǎn)品。隨著電子器件體積的不斷減小以及 I/O 密度的不斷增加，20 世紀(jì) 70 年代，IBM 公司將倒裝芯片技術(shù)發(fā)展為應(yīng)用在集成電路中的 C4 技術(shù)，C4 技術(shù)通過高鉛含量的焊料凸塊將芯片上的可潤(rùn)濕金屬焊盤與基板上的焊盤相連，C4 焊球可以滿足具有更細(xì)密焊盤的芯片的倒裝焊要求。此后凸塊制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，利用熔融凸塊表面張力以支撐晶片的重量及控制凸塊的高度。

IBM 公司開發(fā)出的初代凸塊制造技術(shù)奠定了凸塊制造技術(shù)的底層工藝，并就該技術(shù)申請(qǐng)了發(fā)明專利。IBM 公司通過高鉛焊料蒸鍍工藝進(jìn)行凸塊加工，使用高溫/低溫共燒陶瓷載板（基板）進(jìn)行互聯(lián)，受該工藝方案限制，當(dāng)時(shí)凸塊間距較大（>250μm）、焊接溫度過高（>300℃），且生產(chǎn)成本高居不下，極大限制了凸塊制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

3、凸塊制造技術(shù)的發(fā)展

隨著集成電路行業(yè)的發(fā)展，新的凸塊制造工藝打破了初代技術(shù)的困局，其發(fā)展階段與集成電路行業(yè)的兩次重大產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移以及顯示面板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。

集成電路行業(yè)的第一次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移在 1970-1980 年代由美國(guó)至日本：美國(guó)作為集成電路的發(fā)源地，20 世紀(jì) 70 年代間，前 10 大集成電路制造商幾乎均來自美國(guó)。

日本在美國(guó)技術(shù)支持與本國(guó)政策與資金支持下，依托家電和工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展實(shí)現(xiàn)反超，在 20 世紀(jì) 80 年代末，前 10 大集成電路制造商中有一半以上來自日本。與此同時(shí)，日本本土對(duì)面板智能化、輕薄化的需求增加，隨之涌現(xiàn)大批日本封測(cè)技術(shù)廠商，凸塊制造技術(shù)在這期間得到較大發(fā)展。

第二次集成電路行業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移在20世紀(jì)80年代-21世紀(jì)初，由日本至韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣：憑借低廉人工成本及大量高素質(zhì)人才，韓國(guó)順應(yīng)消費(fèi)級(jí) PC 的趨勢(shì)快速發(fā)展，而中國(guó)臺(tái)灣在晶圓代工廠、芯片封測(cè)領(lǐng)域的垂直分工下出現(xiàn)市場(chǎng)機(jī)會(huì)，韓國(guó)與中國(guó)臺(tái)灣迅速取代日本在集成電路產(chǎn)業(yè)大部分的市場(chǎng)份額。

面板產(chǎn)業(yè)亦轉(zhuǎn)移至韓國(guó)與中國(guó)臺(tái)灣，凸塊制造技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化及轉(zhuǎn)移的過程中隨著終端應(yīng)用的需求不斷被優(yōu)化，濺射凸塊底部金屬工藝和電鍍凸塊工藝取代了原先成本高昂的蒸鍍技術(shù)方案，并將凸塊間距縮小至 200μm 以下，原材料亦出現(xiàn)多元化，生產(chǎn)良率不斷上升。2010 年以來，全球集成電路產(chǎn)業(yè)與顯示面板產(chǎn)業(yè)向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)增強(qiáng)。

隨著集成電路晶圓制程技術(shù)從 2000 年左右的 300nm 發(fā)展到目前的 7nm，凸塊間距也發(fā)展到 100μm 以下的極細(xì)間距領(lǐng)域，單芯片上的金屬凸塊超過 1,500個(gè)，需要每個(gè)凸塊都同基板上的線路形成良好電氣接觸，高密度細(xì)間距凸塊布局對(duì)封測(cè)企業(yè)的凸塊制造技術(shù)提出了極高要求。目前凸塊制造技術(shù)底層工藝專利已成為公開技術(shù)，國(guó)內(nèi)外同行業(yè)公司凸塊制造技術(shù)均在原有凸塊制造底層工藝上進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新，以達(dá)到終端應(yīng)用發(fā)展的需求。

4、凸塊制造技術(shù)是先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展與演變的重要基礎(chǔ)

隨著集成電路行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與終端電子產(chǎn)品需求的提高，凸塊制造技術(shù)也不斷突破技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，并發(fā)展成為關(guān)鍵的高端先進(jìn)封裝技術(shù)之一。凸塊制造技術(shù)的重要性在于它是各類先進(jìn)封裝技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展演化的基礎(chǔ)。

倒裝芯片（FC）技術(shù)、扇出型（Fan-out）封裝技術(shù)、扇進(jìn)型（Fan-in）封裝技術(shù)、芯片級(jí)封裝（CSP）、三維立體封裝（3D）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)與工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)均涉及凸塊制造技術(shù)。

硅通孔技術(shù)（TSV）、晶圓級(jí)封裝（WLP）、微電子機(jī)械系統(tǒng)封裝（MEMS）等先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)與工藝均是凸塊制造技術(shù)的演化延伸。

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