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從事半導(dǎo)體行業(yè)的朋友都知道：隨著半導(dǎo)體工藝逼近物理極限，傳統(tǒng)制程微縮已經(jīng)無法滿足高帶寬、低延遲的需求。這時候，先進封裝技術(shù)應(yīng)運而生，成為提升芯片性能的關(guān)鍵路徑。

先說說什么是先進封裝吧。簡單來說，就是通過高密度互連、異構(gòu)集成等方式，將多個芯片或功能模塊集成在單一封裝體內(nèi)，從而提升整體性能、降低功耗并縮小體積。這一技術(shù)已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的焦點，尤其在人工智能、5G通信、高性能計算（HPC）等領(lǐng)域，傳統(tǒng)封裝已經(jīng)無法滿足需求了。

先進封裝的典型應(yīng)用場景在這里我就不多贅述了，有興趣的朋友可以查閱我公眾號里之前的文章就可找到很多與之“先進封裝”相關(guān)的行業(yè)知識。那講到“先進封裝”，F(xiàn)lip-Chip（倒裝芯片）便是它的最大市場，而講到Flip-Chip（倒裝芯片）封裝，Bumping工藝技術(shù)就是其主要的工藝，顯著提高集成密度。目前，頭部晶圓制造廠將Bump Pitch推進至10μm以下，國內(nèi)大封裝廠挺近40μm。本文為您概述了當(dāng)前微凸塊的全球新進展。

一、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的介紹

在先進封裝中，Bumping/μBumping，通常是指（微）凸塊，這種工藝制造技術(shù)是倒裝等發(fā)展演化的基礎(chǔ)工程，并延伸演化出TSV、WLP、2.5D/3D、MEMS等封裝結(jié)構(gòu)與工藝，廣泛應(yīng)用于5G、人工智能、云計算、可穿戴電子、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理及儲存等集成電路應(yīng)用中。且Bumping工藝技是一種關(guān)鍵的連接技術(shù)，它是在芯片表面制作的小凸起，一般只有幾十到幾百微米大小，主要作用是提供芯片與其他電子元件之間的電氣連接，從倒裝焊FlipChip出現(xiàn)就開始普遍應(yīng)用了，Bumping工藝技術(shù)的形狀也有多種，最常見的為球狀和柱狀，也有塊狀等其他形狀。Bumping工藝技術(shù)起著界面之間的電氣互聯(lián)和應(yīng)力緩沖的作用，從Bondwire工藝發(fā)展FlipChip工藝的過程中，Bumping工藝技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。

隨著工藝技術(shù)發(fā)展，Bumping工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢是尺寸不斷縮小，從球柵陣列焊球（BGA ball），其直徑范圍通常在0.25-0.76mm，到倒裝凸點（FC Bump），也被稱為可控塌陷芯片焊點（C4 solder joint），其直徑范圍通常在100-150μm。行業(yè)內(nèi)正朝著 20μm 甚至小于 10μm 的方向推進，凸點間距越小，凸點密度越高，封裝集成度越高，技術(shù)難度也越大。對于 20μm 以上的間距，可采用基于熱壓鍵合（TCB）的微凸塊連接技術(shù)，未來混合鍵合（HB）銅對銅連接技術(shù)有望實現(xiàn) 10μm 以下的凸塊間距和更高的凸點密度，并帶動帶寬和功耗雙提升。

作為一種先進的晶片級工藝技術(shù)，Bumping工藝技術(shù)在將晶片切割成單個芯片之前，在整個晶片形式的晶片上形成由焊料制成的“凸點”或“球”。凸塊制作的材質(zhì)可分為金凸塊、銅鎳金凸塊、銅柱凸塊、焊球凸塊。凸塊將管芯和襯底一起互連到單個封裝中的基本互連部件，每個凸塊都是一個IC信號觸點，成為了芯片之間、芯片和基板之間的“點連接”。

二、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的起源與發(fā)展歷程

Bumping工藝技術(shù)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(shù)。該技術(shù)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(shù)的雛形，也是實現(xiàn)倒裝封裝技術(shù)的基礎(chǔ)，但當(dāng)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(dāng)時，這種技術(shù)主要應(yīng)用于高端服務(wù)器芯片等對性能要求極高的領(lǐng)域，因為其他領(lǐng)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(shù)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(chǎn)業(yè)從日本向韓國、中國臺灣轉(zhuǎn)移，國際分工深化，凸塊制造技術(shù)由蒸鍍工藝轉(zhuǎn)變?yōu)闉R鍍與電鍍相結(jié)合的凸塊工藝，大幅縮小了凸塊間距，提高了產(chǎn)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工藝技術(shù)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工藝技術(shù)的高密度、微間距特性有較高要求。

三、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的流程

Bumping工藝技術(shù)制作過程復(fù)雜，需要清洗、濺鍍、曝光、顯影、電鍍?nèi)ツz、蝕刻和良品測試等環(huán)節(jié)，其對應(yīng)材料需求為清洗液、靶材、電鍍液、光刻膠、顯影液、 蝕刻液等。主要的工藝步驟如下：

（1）、采用濺射或其他物理氣相沉積的方式在晶圓表面沉積一層鈦或鈦鎢作為阻擋層，再沉積一層銅或其他金屬作為后面電鍍所需的種子層。在沉積金屬前，晶圓先進入濺射機臺的預(yù)清潔腔體，用氬氣等離子去除焊盤金屬表面的氧化層。

（2）、在晶圓表面旋涂一定厚度的光刻膠，并運用光刻曝光工藝，以改變其在顯影液中的溶解度。光刻膠與顯影液充分反應(yīng)后，得到設(shè)計所需的光刻圖形。

（3）、晶圓進入電鍍機，通過合理控制電鍍電流、電鍍時間、電鍍液液流、電鍍液溫度等，得到一定厚度的金屬層作為UBM（Under Bump Metallization，凸點下 金屬化層）。在有機溶液中浸泡后，圓片表面的光刻膠被去除；再用相應(yīng)的腐蝕液去除晶圓表面UBM以外區(qū)域的濺射種子層和阻擋層。

（4）、在植球工序中，需要用兩塊開有圓孔的金屬薄板作為掩模板，位置與晶圓表面UBM的位置相對應(yīng)。在植球前，先用第1塊金屬掩模板將助焊劑印刷到UBM 表面；再用第2塊金屬掩模板將預(yù)成型的錫球印刷到UBM上；

（5）、晶圓經(jīng)過回流爐使錫球在高溫下熔化，熔化的錫球與UBM在界面上生成金屬間化合物，冷卻后錫球與UBM形成良好的結(jié)合。

采用電鍍的方式也可以得到焊球凸塊，即在電鍍UBM完成后，接著電鍍焊料； 去除光刻膠和腐蝕濺射金屬后，經(jīng)過回流，得到焊球凸塊。電鍍方式也是銅柱凸塊和金凸塊加工的常用方法。

因此，凸塊（bumping）工藝流程的主要有以上8個步驟，電子器件向更輕薄、更微型和更高性能進步，促使凸塊尺寸減小，精細間距愈 發(fā)重要。凸塊間距（Bump Pitch）越小，意味著凸點密度增大，封裝集成度越高，難度越來越大。行業(yè)內(nèi)凸點間距正在朝著20μm推進，而實際上巨頭已經(jīng)實現(xiàn)了小于 10μm 的凸點間距。如果凸點間距超過 20μm，在內(nèi)部互連的技術(shù)上采用基于熱壓鍵合（TCB）的微凸塊連接技術(shù)。面向未來，混合鍵合（HB）銅對銅連接技術(shù)可以 實現(xiàn)更小的凸點間距（10μm以下）和更高的凸點密度（10000個/mm2），并帶動帶寬和功耗雙提升。隨著高密度芯片需求的不斷擴大帶來倒裝需求的增長，Bumping工藝技術(shù)的需求將不斷提升，相關(guān)材料需求也將不斷提升。

言歸正傳，具體而言，Bumping工藝技術(shù)是先在晶圓表面沉積鈦或鈦鎢作為阻擋層，再沉積銅等作為種子層；然后旋涂光刻膠，通過光刻曝光和顯影得到所需圖形；接著進行電鍍形成凸點下金屬化層（UBM），去除光刻膠并蝕刻掉多余的種子層和阻擋層；之后進行植球工序，將助焊劑和錫球印刷到 UBM 上；最后經(jīng)過回流爐使錫球熔化與 UBM 形成良好結(jié)合。

凸塊制造技術(shù)是諸多先進封裝技術(shù)實現(xiàn)和發(fā)展演化的基礎(chǔ)：經(jīng)過多年的發(fā)展，凸塊制作的材質(zhì)主要有金、銅、銅鎳金、錫等，不同金屬材質(zhì)適用于不同芯片的封裝，且不同凸塊的特點、涉及的核心技術(shù)、上下游應(yīng)用等方面差異較大。

1、金凸塊（Gold Bumping）

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(shù)，主要用于顯示驅(qū)動芯片封裝，少部分用于傳感器、電子標簽類產(chǎn)品。例如，目前LCD、AMOLED等主流顯示面板的驅(qū)動芯片都離不開金凸塊制造工藝。其工藝流程相對復(fù)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(dǎo)電膠材使凸塊與線路上的引腳結(jié)合起來。

主要特點：

（1）優(yōu)點：高導(dǎo)電性、抗腐蝕性強、鍵合工藝成熟、無需底部填充（Underfill）。

（2）缺點：成本高（黃金價格昂貴）、硬度低易變形、高溫下可能與焊料形成脆性金屬間化合物（IMC）。

（3）關(guān)鍵參數(shù)：典型尺寸為 50-150μm，間距 100-250μm。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域：

a、高頻、高可靠性器件：RF模塊、光通信器件、毫米波雷達；

b、醫(yī)療、航空航天：植入式醫(yī)療設(shè)備、衛(wèi)星電子元件；

c、Flip Chip 封裝早期應(yīng)用：如早期手機芯片、FPGA。

工藝流程：

2、銅鎳金凸塊（CuNiAu Bumping）

銅鎳金凸塊（CuNiAu Bumping）可優(yōu)化I/O設(shè)計、大幅降低了導(dǎo)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(lǐng)域?qū)儆谛屡d先進封裝技術(shù)，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(dǎo)通電阻，因此主要應(yīng)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(nèi)部原有線路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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。

主要特點：

（1）優(yōu)點：結(jié)合銅的低成本和金的抗腐蝕性，Ni 層作為擴散阻擋層抑制 Cu-Sn IMC 生長。

（2）缺點：工藝復(fù)雜度高（三層金屬沉積），需嚴格控制 Ni 層厚度（過薄易穿透，過厚易脆）。

（3）關(guān)鍵參數(shù)：Cu柱高度50-100μm，Ni層厚度3-5μm，Au層厚0.3-1μm。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域：

a、汽車電子：ECU（電子控制單元）、功率模塊；

b、工業(yè)設(shè)備：高可靠性傳感器、控制器；

c、消費電子：中高端手機攝像頭模組、指紋識別芯片。

工藝流程：

3、銅柱凸塊（Cu Pillar）

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(shù)。這是新一代芯片互連技術(shù)，后段適用于倒裝的封裝形式，應(yīng)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(dǎo)電、導(dǎo)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。

主要特點：

（1）優(yōu)點：低電阻（銅導(dǎo)電性優(yōu)于錫）、高熱導(dǎo)率、更好的機械穩(wěn)定性（抗跌落測試）、適合細間距（≤50μm）。

（2）缺點：易氧化（需表面處理）、Cu-Sn IMC 生長可能導(dǎo)致可靠性問題。

（3）關(guān)鍵參數(shù)：Cu柱直徑 10-50μm，高度 30-60μm，表面通常有 Ni/Au 或 Sn/Ag 涂層。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域：

a、高性能計算：CPU、GPU、HBM（高帶寬內(nèi)存）；

b、5G 通信：RF 前端模塊、高速 SerDes 芯片；

c、AI 芯片：需要高密度 I/O 的 ASIC、FPGA。

工藝流程：

4、錫凸塊（Sn Bumping）

錫凸塊（Sn Bumping）是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(jié)構(gòu)主要由銅焊盤和錫帽構(gòu)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(jié)構(gòu)，主要用于FC制程。多應(yīng)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。

主要特點：

（1）優(yōu)點：工藝簡單、成本低、自對準能力強（回流時液態(tài)表面張力）。

（2）缺點：電性能較差（電阻高于銅）、熱循環(huán)可靠性有限（錫易疲勞）。

（3）關(guān)鍵參數(shù)：典型成分為 SnAgCu（SAC）合金，尺寸 30-200μm，間距 50-400μm。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域：

a、消費電子：智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備；

b、存儲芯片：DDR、NAND Flash 封裝；

c、低成本/中低端器件：如 WiFi 模塊、藍牙芯片。

工藝流程：

5、技術(shù)對比與選擇標準

四、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的基本原理與作用

Bumping工藝技術(shù)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(dǎo)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(yīng)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(chǎn)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(chǔ)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(guān)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。

五、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的工作原理

1、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(chǔ)層，如銅層等。然后是黃光工藝，黃光工藝類似于光刻技術(shù)，通過光刻膠的涂覆、曝光、顯影等步驟，將設(shè)計好的凸塊圖案轉(zhuǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(diào)整。

2、芯片與基板的連接方式

在芯片與基板的連接方面，Bumping工藝技術(shù)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(yīng)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(dǎo)電膠材，將凸塊與線路上的引腳結(jié)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工藝技術(shù)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|(zhì)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(yīng)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。

3、信號傳輸與電氣特性

從信號傳輸?shù)慕嵌葋砜?，Bumping工藝技術(shù)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(jīng)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(dǎo)致信號波形的畸變，影響信號的完整性。而Bumping工藝技術(shù)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工藝技術(shù)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(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，能夠有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)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。

六、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的優(yōu)勢和局限性

1、優(yōu)勢

一方面，Bumping工藝技術(shù)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(dǎo)電膠的粘結(jié)實現(xiàn)的，這種連接方式能夠承受一定的機械應(yīng)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(chǎn)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工藝技術(shù)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(dǎo)性能。在芯片工作過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時有效地將熱量傳導(dǎo)出去，就會導(dǎo)致芯片溫度過高，影響芯片的性能和可靠性。Bumping工藝技術(shù)中的凸塊可以作為熱量傳導(dǎo)的通道，將芯片產(chǎn)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工藝技術(shù)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(dǎo)性也有助于降低芯片內(nèi)部的溫度梯度，減少因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的芯片損壞風(fēng)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(jīng)過一段傳輸線都會產(chǎn)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工藝技術(shù)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?。其次，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(zhì)量要求極高的應(yīng)用，如高速數(shù)據(jù)中心芯片的封裝，非常關(guān)鍵。

Bumping工藝技術(shù)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工藝技術(shù)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工藝技術(shù)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(fù)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(nèi)，如在一些可穿戴設(shè)備的芯片封裝中，小尺寸、高密度的封裝能夠滿足設(shè)備對小型化和多功能的需求。

（1）實現(xiàn)高密度封裝

（2）改善信號傳輸性能

（3）具備優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性

（4）提高封裝可靠性

2、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(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致接觸電阻增大或者連接可靠性下降。在一些復(fù)雜的多芯片封裝或者異構(gòu)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(dǎo)致凸塊的高度不一致，影響芯片與基板的連接質(zhì)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(dǎo)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(fù)性提出了巨大的挑戰(zhàn)。工藝難度的增加不僅會導(dǎo)致產(chǎn)品的良率降低，還會增加制造成本和生產(chǎn)周期。

Bumping工藝技術(shù)的成本相對較高，這在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。首先，凸塊制造過程涉及到復(fù)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(shè)備和嚴格的工藝控制，設(shè)備的購置和維護成本高昂。例如，高精度的電鍍設(shè)備和光刻設(shè)備價格昂貴，而且需要專業(yè)的技術(shù)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(shù)。

（1）成本較高

（2）工藝難度較大

（3）材料兼容性問題

七、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的應(yīng)用

因為本章節(jié)有講到Bumping工藝技術(shù)在Flip-Chip（倒裝芯片）中的應(yīng)用情況，所以先著重講一下：

1、Bumping工藝技術(shù)在Flip Chip（倒裝芯片）中的應(yīng)用

Flip Chip（倒裝芯片）封裝技術(shù)因其將芯片上的凸點翻轉(zhuǎn)并安裝于基板等封裝體上而得名，是一種實現(xiàn)芯片與板（如基板）電氣連接的互連技術(shù)，鍵合至基板或形成焊接凸點過程中不存在任何工藝方面限制；倒片封裝憑借其優(yōu)越的電氣性能（不存在電氣連接I/O引腳數(shù)量和位置限制，電信號傳輸路徑短于引線鍵合），已經(jīng)很大程度上取代了引線鍵合。倒片封裝體中Bumping（凸點）工藝技術(shù)是基于晶圓級工藝而完成的，而后續(xù)工序則與傳統(tǒng)封裝工藝相同。

2、在移動設(shè)備芯片封裝中的應(yīng)用

在現(xiàn)代智能手機和平板電腦等移動設(shè)備中，Bumping工藝技術(shù)發(fā)揮著重要作用。以智能手機中的應(yīng)用處理器（AP）芯片為例，這些芯片功能復(fù)雜，需要與多個外部組件（如內(nèi)存、基帶芯片、傳感器等）進行高速通信和數(shù)據(jù)傳輸。Bumping工藝技術(shù)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工藝技術(shù)將AP芯片與高速內(nèi)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(shè)備對小型化和輕薄化的要求極高，Bumping工藝技術(shù)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(shù)，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(shè)備的設(shè)計需求。此外，在移動設(shè)備的攝像頭芯片封裝中，Bumping工藝技術(shù)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。

3、在高性能計算芯片封裝中的應(yīng)用

在高性能計算領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器芯片和超級計算機芯片等，Bumping工藝技術(shù)是實現(xiàn)高性能封裝的關(guān)鍵。對于服務(wù)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工藝技術(shù)通過縮短信號傳輸路徑和提高端口密度，能夠滿足服務(wù)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工藝技術(shù)可以實現(xiàn)各個核心之間以及核心與外部存儲、網(wǎng)絡(luò)接口等的高速連接，提高整個服務(wù)器系統(tǒng)的計算性能。在超級計算機芯片中，Bumping工藝技術(shù)的優(yōu)良熱傳導(dǎo)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(chǎn)生的熱量巨大，良好的熱傳導(dǎo)通道可以保證芯片在安全的溫度范圍內(nèi)運行，避免因過熱而導(dǎo)致的性能下降或芯片損壞。

4、在汽車電子芯片封裝中的應(yīng)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(fù)雜的環(huán)境條件，如振動、高溫、低溫、潮濕等。Bumping工藝技術(shù)在汽車電子芯片封裝中的應(yīng)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工藝技術(shù)可以確保芯片與基板之間的穩(wěn)固連接，減少因振動導(dǎo)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工藝技術(shù)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工藝技術(shù)的高密度封裝特性也有助于在有限的空間內(nèi)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。

八、先進封裝Bumping工藝技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

1、朝著更小尺寸和更高密度發(fā)展

隨著芯片技術(shù)的不斷進步，對Bumping工藝技術(shù)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(jīng)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(lǐng)域尤為明顯。更小尺寸和更高密度的Bumping工藝技術(shù)將有助于實現(xiàn)芯片的小型化，滿足未來電子設(shè)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(shù)和設(shè)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(shù)用于凸塊圖案的制作，以及更精確的電鍍和蝕刻技術(shù)來控制凸塊的尺寸和形狀。

2、與其他先進封裝技術(shù)的融合

Bumping工藝技術(shù)將與其他先進封裝技術(shù)更加緊密地融合。例如，與晶圓重布線技術(shù)（RDL）的結(jié)合將更加深入。RDL技術(shù)可以對原來設(shè)計的集成電路線路接點位置（I/O Pad）進行優(yōu)化和調(diào)整，與Bumping工藝技術(shù)相結(jié)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(shù)中，Bumping工藝技術(shù)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(gòu)建三維的芯片集成結(jié)構(gòu)，提高芯片的集成度和性能。此外，Bumping工藝技術(shù)還將與系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)相結(jié)合，在一個封裝內(nèi)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(fù)雜電子系統(tǒng)對芯片封裝的需求。

總之，在目前的市場環(huán)境中看來，Bumping工藝技術(shù)的應(yīng)用主要集中在FC（倒裝芯片）領(lǐng)域。根據(jù)市場研究機構(gòu)Yole的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計2024到2028年，2.5/3D堆疊、層壓基板ED封裝和扇出型封裝的年復(fù)合增長率均將超過30%。尤其在AI、高性能計算（HPC）、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，Bumping工藝技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的市場潛力。

寫在最后面的話

隨著電子產(chǎn)品向更高集成度和功能多樣化發(fā)展，Bumping工藝技術(shù)的未來將呈現(xiàn)出更多的創(chuàng)新可能。無論是在手機、汽車等應(yīng)用場景，還是在更前沿的AI及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，Bumping工藝技術(shù)都將發(fā)揮重要的作用，助力電子產(chǎn)品實現(xiàn)更高的性能與更大的市場價值。

總體來看，Bumping工藝技術(shù)在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用潛力巨大，其高效連接和優(yōu)良可靠性為電子產(chǎn)品的發(fā)展帶來了新機遇。我們建議行業(yè)各界持續(xù)關(guān)注這一技術(shù)的演進，抓住其帶來的市場機遇。同時，普通消費者也可以通過了解這些先進技術(shù)，增加對電子產(chǎn)品性能的認知，從而做出更明智的消費決策。

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審核編輯 黃宇