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术语“芯片贴装”描述了半导体器件构造和封装中的关键步骤。这是一种将半导体芯片（大脑）连接到基板或封装上的技术。根据电子器件的布局和功能，这些封装可以采用多种形状，例如引线框架、陶瓷基板或印刷电路板(PCB)。
芯片贴装程序对于电子设备的功能和可靠性至关重要。它通过在芯片和封装之间建立牢固的机械结合来保护敏感芯片免受物理压力和冲击。此外，芯片连接层起到热桥的作用，使得热量能够有效地从芯片传递到封装或基板。这对于将工作温度保持在安全范围内至关重要。对于高功率设备，过多的热量可能会导致性能下降或设备故障，因此该热管理组件尤其重要。
用于芯片连接的常见材料（通常称为芯片键合机）包括焊料合金、导电粘合剂和共晶化合物。这些材料的选择基于各种因素，例如机械强度、导热性、导电性以及与芯片和基板材料的兼容性。芯片粘接材料的具体选择可以显着影响电子设备的性能和寿命。
芯片连接的基础知识术语“芯片”用于描述微电子领域中构建工作电路的一小块半导体材料。通常，使用硅来制造芯片，但根据应用，也可以使用砷化镓或碳化硅。芯片包含构成电路的晶体管、电容器和电阻器，是电子产品的神奇之处。
芯片贴装工艺可确保芯片牢固地连接至封装或基板。这种连接有两个主要目的。首先，它提供稳定的机械连接，将芯片固定到位，以承受与电子设备的处理、组装和使用相关的物理应力。其次，它建立了一条热路径，允许芯片在运行期间产生的热量传导至封装或基板，并从那里进一步消散到周围环境。
芯片连接所用材料的选择是该工艺的一个关键方面。这些材料通常称为“芯片连接材料”或“DAM”，必须满足一系列要求。它们需要具有高机械强度以将芯片牢固地固定到位，并具有高导热性以有效地将热量从芯片中带走。它们还应该具有良好的电气特性，因为在某些设计中，芯片附着层还充当芯片和封装之间的电连接。
有多种材料可用作DAM，包括金属合金、陶瓷和聚合物。金属合金，例如金锡或金硅共晶合金，由于其高导热性和导电性而经常被使用。然而，它们需要高加工温度并且价格昂贵。还使用陶瓷材料，例如填充银的玻璃，在热性能、电隔离和成本之间提供良好的平衡。填充银颗粒的环氧树脂等聚合物是另一种流行的选择，特别是对于低成本应用。它们易于加工，可以提供良好的机械强度和热性能。
芯片连接的重要性芯片贴装工艺的重要性怎么强调都不为过。它是电子设备整体性能和可靠性的关键决定因素。
芯片贴装的一项关键作用是热管理。在工作中，芯片上的电子电路会产生热量。如果热量不能有效地传导出去，可能会导致芯片温度显着升高，影响电子电路的性能，并可能导致设备故障。芯片附着层充当重要的热通路，将热量从芯片传导至封装或基板。例如，用作DAM的金硅共晶合金的导热率约为57W/mK，使其能够有效地将热量从芯片中带走。
芯片贴装还有助于提高器件的机械稳定性。芯片很脆弱，物理应力（无论是来自组装过程、处理或使用过程中的机械冲击，还是热膨胀和收缩）都可能导致其破裂或从封装中分层。良好的芯片贴装工艺可在芯片和封装之间形成牢固的机械结合，有助于保护芯片免受这些应力的影响。
此外，芯片贴装工艺会影响器件的可靠性。芯片附着层的缺陷（例如空隙或不均匀性）可能会导致芯片上出现局部热点或不均匀的机械应力，随着时间的推移，可能会导致器件故障。因此，高质量的芯片贴装工艺对于确保器件的长期可靠性至关重要。例如，一项关于环氧基DAM的研究发现，将空隙含量降低至1%以下可以显着延长电力电子设备的使用寿命。
芯片贴装所用材料在芯片粘接领域，使用了多种材料，每种材料都有其独特的性能，使其比其他材料更适合某些应用。这些材料主要分为三类：金属合金、陶瓷和聚合物。
金属合金因其高导热性和导电性而受到青睐。例如，金锡(AuSn)是最常用的芯片贴装金属合金之一。它的熔点为°C，导热系数高达58W/mK。这使其成为高效散热至关重要的高功率设备的绝佳选择。然而，黄金的高成本使得这种选择对于成本敏感的应用缺乏吸引力。
另一种常用的金属合金是金硅（AuSi）。这种共晶合金的熔点为6°C，高于AuSn，适合在更高温度下工作的器件。AuSi还具有约57W/mK的高导热率，使其成为热管理的可靠选择。
陶瓷材料，特别是银填充玻璃化合物，也用于芯片贴装。这些陶瓷平衡了热性能、电隔离和成本。例如，填充银的玻璃化合物可以实现-4W/mK范围内的导热率。虽然明显低于金属合金，但这对于许多应用来说已经足够了。此外，与金属合金相比，这些材料可以在较低的温度下加工，通常在°C左右，这使得它们与温度敏感设备兼容。
聚合物，特别是银填充环氧树脂，广泛用于芯片连接，特别是在低成本应用中。将银颗粒混入环氧树脂中以提高其导热性。虽然纯环氧树脂的导热系数可能仅为0.2W/mK，但添加银颗粒可将其提高至-4W/mK，与银填充玻璃陶瓷相当。此外，这些基于聚合物的DAM可以在低温（通常低于°C）下加工，并且还可以提供良好的机械强度以将芯片牢固地固定到位。
所有这些材料都对电子设备的整体性能和可靠性做出了重大贡献。适当芯片粘接材料的选择取决于许多因素，包括器件的工作条件、热和电气要求以及成本考虑因素。
芯片连接方法在讨论芯片贴装方法时，该领域通常分为两大类：共晶芯片贴装和粘合剂芯片贴装。这些方法在所使用的材料、加工条件以及芯片贴装的最终特性方面有所不同。
共晶芯片连接顾名思义，共晶芯片粘接在芯片接合过程中利用了共晶合金。共晶合金是一种特定的金属混合物，具有独特的性能：它的熔化温度比任何其他相同金属的混合物都要低。这一特性使得共晶合金在芯片贴装中非常有价值，因为它可以在相对较低的加工温度下实现高质量的键合。事实上，由于大批量制造的需求不断增长，先进共晶封装正在继续更快地采用完全自动化。
芯片贴装中最常用的共晶合金是前面提到的金锡(AuSn)合金。它的熔点为°C，可提供牢固、可靠的粘合，而不需要可能损坏芯片或基板的过高温度。
共晶芯片贴装通常分两步进行。首先，通常通过电镀或溅射等工艺将共晶合金沉积到模具或基材上。这形成了所谓的“预成型件”。接下来，将模具放置在预成型件上，并将组件加热至合金的熔点。这会导致合金回流，扩散并覆盖芯片和基材之间的整个界面。一旦冷却，合金就会凝固，在模具和基材之间形成牢固的结合。
该方法因其优异的导热性和导电性而受到高度评价。这是由于所用材料的性质决定的。AuSn等金属合金的导热性和导电性明显高于芯片粘接中使用的聚合物。因此，共晶芯片贴装通常是高功率或高频器件的首选，其中高效散热和最小电阻至关重要。
环氧树脂芯片粘接芯片连接方法的第二大类是环氧树脂芯片连接，也称为粘合剂芯片连接。该工艺使用基于聚合物的芯片粘接粘合剂（通常是环氧树脂）将芯片固定到基板上。
环氧树脂芯片粘接粘合剂通常是由两部分组成的系统。树脂和硬化剂这两种成分在施工前立即混合。然后将混合物施加到芯片或基板上，并将芯片放置到粘合剂上。加热组件以固化粘合剂，使其硬化并在芯片和基板之间形成粘合。
固化过程对于环氧树脂芯片贴装至关重要。必须仔细控制它以确保牢固、可靠的粘合。如果粘合剂未完全固化，粘合可能会很弱并且容易失效。相反，如果粘合剂过度固化，它可能会变脆并容易破裂。理想的固化条件-温度、时间和气氛-根据具体的环氧树脂配方而变化，并且通常由粘合剂制造商提供。
尽管与金属合金相比，环氧树脂的导热性和导电性较低，但环氧树脂芯片粘接有其优点。其中最重要的是它的多功能性。环氧粘合剂可以配制为具有多种特性，以适应不同的应用。例如，可以将粘合剂配制为对于热敏感应用具有高导热性，或者对于真空环境具有低释气特性。
环氧树脂芯片粘接通常也比共晶芯片粘接更简单、更便宜。它不需要像共晶贴片那样精确控制合金成分和回流条件。此外，环氧树脂芯片粘接中使用的材料通常比共晶合金中常用的金和其他贵金属便宜。
最后，与共晶芯片连接相比，环氧树脂芯片连接可以容纳更大的芯片和基板。这是因为粘合剂可以涂在更厚的层上，从而可以填充芯片和基板表面上更大的间隙和不规则之处。这使得环氧树脂芯片粘接成为电源模块和高亮度LED等大面积设备的流行选择。
芯片连接中的工艺参数在考虑芯片贴装工艺时，许多参数都会发挥作用，对最终产品产生重大影响。这些参数不仅限于芯片贴装材料或方法的选择，还包括温度、压力和时间等工艺条件。这些工艺参数会影响芯片粘接的粘附力、可靠性和性能，因此对于实现高质量产品至关重要。
温度
在工艺参数中，无论采用何种方法，温度在芯片贴装工艺中都起着至关重要的作用。无论是共晶还是环氧树脂芯片粘接，了解温度的作用都是关键。
在共晶贴片中，温度对于合金的形成至关重要。将金和硅（或其他金属）加热直至达到共晶点，使材料熔化并形成合金。温度太高可能导致过度熔化，并可能损坏模具或基材，而温度太低可能无法充分形成合金，导致粘合力弱。
在环氧树脂芯片贴装中，温度是固化过程的关键。一旦涂上环氧树脂并放置芯片，就加热组件以固化环氧树脂。固化温度和时间是决定环氧键强度和耐久性的重要因素。如果温度过高，会导致过度固化，使环氧树脂变脆，容易开裂。相反，由于低温导致的固化不足会导致粘合力弱。
温度控制对于管理芯片贴装过程中芯片上的应力也至关重要。快速的温度变化会引起热冲击，导致模具破裂或翘曲。因此，通常采用受控的温度上升和下降来最小化热应力。
因此，根据特定的芯片贴装方法和所使用的材料保持最佳温度对于在芯片和基板之间实现牢固、可靠的粘合至关重要。
压力
芯片贴装工艺中的另一个重要工艺参数是压力。压力的施加在芯片贴装中起着重要作用，特别是在环氧树脂芯片贴装和共晶芯片贴装等方法中。压力影响粘合强度、粘合层的均匀性以及多余材料的排出。
在环氧树脂芯片贴装中，在施加环氧树脂后，用特定的压力将芯片压到基板上。此操作用于将环氧树脂均匀地分布在芯片下方，确保均匀的粘合层厚度。一致的胶层厚度对于芯片的整体性能至关重要，因为它会影响组件的热性能和机械性能。压力太大会挤出过多的环氧树脂，导致胶层厚度不足，甚至出现空隙。相反，压力太小可能无法充分铺展环氧树脂，导致粘合层不均匀。
在共晶芯片贴装中，压力起着不同但同样重要的作用。当模具和基体被加热到共晶温度时，施加一定的压力以保证良好的金属间结合。压力有助于使芯片和基板紧密接触，促进原子相互扩散，从而形成牢固的结合。然而，正如温度一样，压力也必须小心控制。压力太大可能会损坏芯片，而压力太小可能会导致粘合力弱。
此外，压力在空隙管理中也发挥着作用。粘合层中的空隙会充当热绝缘体，损害芯片的热性能。通过施加适当的压力，可以挤出多余的材料，从而减少形成空隙的可能性。
总体而言，适当的压力应用和控制是芯片贴装过程中的关键因素，显着影响芯片贴装的质量和性能。重要的是要考虑每种芯片贴装方法和用于确定最佳压力设置的材料的独特要求。
芯片连接质量和可靠性
芯片贴装的质量和可靠性直接关系到半导体器件的性能和使用寿命。高质量的芯片连接可确保最佳的热管理、机械稳健性和电气性能。因此，评估芯片连接的质量是制造过程的基本部分。此外，了解影响可靠性的因素有助于设计稳健的芯片贴装工艺并选择合适的材料。
芯片连接质量评估技术
评估芯片连接件的质量涉及多种技术，每种技术都提供了对连接件特性的独特见解。通常采用X射线成像和超声波扫描等非破坏性技术。目的是识别可能损害器件性能的缺陷，例如空隙、裂纹或分层。
X射线成像是检查芯片贴装质量的常用技术。在X射线成像中，芯片受到X射线照射，获得的图像可以揭示任何内部缺陷。例如，空隙在X射线图像中显示为黑点，因为它们吸收的X射线比周围材料少。X射线成像还可以提供有关胶层厚度和胶层均匀性的信息。
超声波扫描是另一种用于评估芯片连接质量的技术。在该技术中，超声波被发送到芯片连接中，并且反射波被捕获和分析。回波模式的变化可以表明缺陷的存在。例如，来自空隙或裂缝的回波将不同于固体芯片附着材料的回波。超声波扫描可以检测X射线成像可能遗漏的缺陷，使其成为一种有价值的补充技术。
这些质量评估技术是确保芯片贴装工艺可靠性的关键工具。通过在流程的早期识别缺陷，可以采取适当的纠正措施，确保最终产品满足所需的性能规格。值得注意的是，评估技术的选择可能取决于芯片贴装方法和所使用的材料，以及器件的具体要求。
芯片连接中的失效模式芯片贴装过程中的故障会严重影响半导体器件的性能和使用寿命。了解这些故障模式对于预防这些故障并提高设备可靠性至关重要。芯片贴装中最常见的失效模式是空洞形成、分层和开裂。
空洞形成是一种常见的故障模式，可能是由于芯片粘接材料中残留的气体或湿气而发生的。这些空隙会阻碍热传递，从而导致热问题。对于高功率设备，高效的热传递至关重要，空隙的存在可能导致过热和潜在的设备故障。例如，由于结温升高，占据芯片面积10%以上的空洞会显着缩短器件的使用寿命。
分层，即芯片与基板的分离或芯片连接材料本身内部的分离，是另一种常见的故障模式。这通常是由于芯片、芯片贴装材料和基板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配而引起的粘合不良或应力造成的。例如，使用CTE为2ppm/°C的粘合剂将CTE为2.6ppm/°C的芯片附着到CTE为7ppm/°C的基板上，可能会因应力而导致热循环期间分层。由CTE不匹配引起。
开裂是另一种失效模式，其原因与分层类似，特别是热应力或机械应力。裂纹会通过芯片连接材料传播，导致电阻增加、传热受损，并最终导致器件故障。小至5μm的裂纹宽度会严重损害器件的热性能和电性能。
了解这些故障模式以及导致这些故障的因素对于设计和优化芯片贴装工艺至关重要。通过仔细选择材料、优化工艺参数和严格的质量评估，可以最大限度地减少这些故障模式，确保高质量、可靠的设备。
先进的芯片连接技术半导体行业一直在不断发展，这需要开发先进的芯片贴装技术。这些技术的特点是能够满足现代半导体器件的苛刻要求，例如更小的外形尺寸、更高的功率密度和更高的可靠性。
激光芯片贴装其中一项先进技术是激光芯片连接。它采用聚焦激光束局部加热芯片粘合材料，使其回流并将芯片粘合到基板上。与传统方法相比，该技术具有多个优点。
激光芯片贴装提供的局部加热可以精确控制加热过程，最大限度地减少周围组件的热暴露。例如，光斑尺寸为μm的nm二极管激光器可以提供限制在几百微米内的加热区域，从而降低对附近敏感组件造成热损坏的风险。
此外，激光芯片连接可实现快速加热和冷却，从而缩短总体工艺时间。根据激光的功率，回流焊过程可以在几毫秒内完成。例如，输出功率为10W的激光器可以在不到一秒的时间内对标准1mm2芯片进行回流焊。
激光的非接触性质还最大限度地减少了附着过程中芯片上的机械应力。这对于薄型或易碎芯片尤其有利，因为传统芯片贴装方法中施加的压力可能会损坏芯片。例如，50μm厚的GaAs芯片在传统工艺中在5MPa的压力下可能会破裂，但使用激光芯片贴装可以无损地进行贴装。
最后，激光芯片贴装具有高度适应性，能够处理各种芯片贴装材料和基板。无论是回流温度为°C的银烧结膏，还是回流温度为°C的金锡共晶合金，都可以调节激光的功率和曝光时间，以达到所需的键合条件。
因此，激光芯片贴装是一种通用且有效的技术，可以满足现代半导体器件组装的需求。
倒装芯片芯片连接倒装芯片芯片连接是一种先进的芯片连接技术，由于其在高密度、高性能和小尺寸应用中的潜力而受到欢迎。在倒装芯片芯片贴装中，芯片被翻转，使其包含集成电路的有源面面向基板。这是通过一系列通常由焊料制成的凸块来实现的，这些凸块将芯片电气和机械地连接到基板。常用的芯片连接焊料在液态时总是表现出热氧化特性。当烙铁头上的铁镀层变成氧化铁（所用金属的天然成分）时，就会产生烙铁头氧化。在常温下，会发生氧化，但速度要慢得多。焊接热显着加快了这一过程。
倒装芯片可与引线接合相媲美。引线键合消除了高温组装程序的必要性，就像芯片连接一样。粘合剂或共晶合金（具有最低可行熔点的金属混合物）用于将硅芯片（也称为“芯片”）粘附到封装、基板或其他芯片上。在切割过程之后，使用芯片键合将芯片固定到基板上，并使用在芯片键合之后完成的引线键合来保护电信号。
凸块形成工艺是倒装芯片贴装的一个关键方面。电镀和模板印刷是创建焊料凸块的两种常见方法。例如，电镀可以产生直径范围为25μm至μm的凸块，而模板印刷可以产生直径小至50μm的焊膏沉积物。
倒装芯片贴装的主要优点之一是缩短互连长度。通过翻转芯片，芯片和基板之间的距离被最小化，从而降低电感、电容和电阻。这转化为改进的电气性能，从而实现更高的信号传输速度并降低功耗。
热管理是倒装芯片贴装的另一个关键方面。由于芯片与基板直接接触，可以更有效地散发热量。例如，利用倒装芯片技术将高功率GaN芯片固定在铜币基板上，热阻可低至0.1°C/W，显着提高器件的散热性能。
倒装芯片贴片还可以实现更高水平的集成。由于管芯的有源侧面向基板，因此可以将附加组件（例如无源器件或其他集成电路）安装在基板的同一侧上。这允许更大的元件密度和更小的整体外形尺寸。
底部填充材料通常用于倒装芯片贴装，以增强组件的机械和热可靠性。通过填充芯片和基板之间的间隙，底部填充材料有助于分散机械应力，降低焊点疲劳或开裂的风险。典型的底部填充材料的热膨胀系数(CTE)介于20ppm/°C和45ppm/°C之间，与芯片和基板兼容。
总之，倒装芯片贴片具有多种优点，例如改进的电气性能、增强的热管理和增加的元件密度，使其成为先进半导体应用的一种有前途的技术。正如芯片连接和热管理中所见，这一点在汽车电子产品中很常见。有时称为功率半导体，它们用于汽车点火系统以及各种尺寸的交流和直流电动机驱动器。
结论在半导体行业中，芯片贴装是电子器件制造中的关键步骤。该过程会影响设备的性能、可靠性和使用寿命。激光芯片贴装和倒装芯片贴装等先进芯片贴装技术的发展是为了满足现代高性能、高密度应用的需求。虽然每种技术都有其优点和挑战，但它们都努力实现最佳的热管理、可靠的机械粘合和高效的电气互连。随着行业不断突破小型化和性能的界限，新的芯片贴装技术和材料无疑将会出现，从而进一步推动电子设备的进步。
常见问题(FAQ)什么是芯片贴装？芯片附着是在电子设备制造中将芯片或芯片附着到基板或封装上的过程。它用于提供机械粘合、电气互连和热管理。
芯片贴装的目的是什么？芯片贴装的主要目的是在芯片和基板之间提供机械结合、建立电气连接以及管理散热。芯片贴装的质量会显着影响器件的性能和可靠性。
什么是芯片粘接材料？芯片附着材料是用于将芯片粘附到基板或封装上的物质。常见的芯片粘接材料包括环氧基粘合剂、填充银的玻璃料和各种类型的焊料。材料的选择取决于设备的具体要求，例如工作温度、功率密度和可靠性。
有哪些先进的芯片贴装技术？先进的芯片贴装技术包括激光芯片贴装和倒装芯片贴装。激光芯片粘接使用激光来熔化芯片粘接材料，从而能够精确控制该过程。倒装芯片芯片连接涉及翻转芯片，使其有源侧面向基板，从而缩短互连长度并提高电气性能。
哪些因素影响芯片贴装技术和材料的选择？有几个因素会影响芯片贴装技术和材料的选择，包括器件的热和电气要求、器件将承受的机械应力、操作环境、器件的预期寿命和成本考虑。
