Die Attach工艺介绍
Die Attach,中文常称为晶粒粘接或贴片,是半导体封装流程中的关键工艺环节。其核心任务是将切割下来的半导体芯片(即裸晶粒)牢固地粘接到封装基底上,如引线框架、陶瓷基板或金属壳体底座等。这一步骤不仅为芯片提供机械固定,还为后续的打线键合、封装成型等工艺奠定基础,直接影响整个器件的热性能、电性能和长期可靠性。
核心目的与作用
Die Attach工艺的根本目的可归纳为三个方面。首先,是实现芯片的机械固定,确保其在后续封装、运输及使用过程中不会发生移位、破裂或脱落。
其次,粘接层作为热管理的关键通道,能够将芯片工作时产生的热量高效传导至封装体或基板,避免因过热导致性能退化或失效。尤其对高功率器件而言,散热能力直接影响器件寿命。
第三,部分粘接材料还承担电性连接功能,形成芯片与外部电路的导电路径。此外,优质的Die Attach工艺能有效缓冲热应力和机械应力,适应封装过程中的热膨胀与冷却变化,提升器件的环境适应性。
常用材料
Die Attach所使用的材料统称为晶粒粘接材料(DAMs),主要包括金属合金、陶瓷材料和聚合物材料三大类。金属合金如金锡(AuSn)、金硅(AuSi)等,具有优异的热导率和电导率,适用于高功率、高可靠性器件,但成本较高。陶瓷类材料如银填充玻璃,热导率在3–4 W/m·K左右,兼具电气绝缘特性,工艺温度较低。
聚合物材料以环氧树脂为代表,通过填充银颗粒可提升热导率至3–8 W/m·K,具有成本低、工艺温度低(通常低于150°C)等优势,广泛用于中低功率消费类电子产品。材料选择需综合考量热性能、电性能、机械强度、工艺温度及成本等因素。
主要工艺方法
根据粘接原理和材料的不同,Die Attach工艺可分为多种方法。
1. 软钎焊(Soft Solder Die Attach)
软钎焊使用锡铅(SnPb)或锡银铜(SAC)等低熔点钎料,通过加热回流实现连接,工艺成熟、适合自动化生产,但易产生空洞且热导率相对有限。
2.共晶粘接(Eutectic Die Attach)
共晶粘接利用金硅或金锡等共晶合金在高温(如363°C)下形成金属键合,具有高导热性、高强度和长期热稳定性,多见于高功率射频器件和汽车电子。
3.环氧粘接(Epoxy Die Attach)
环氧粘接通过加热固化环氧胶实现粘接,工艺温和、成本低,但热导率较低且易受湿气老化影响。
4.紫外固化(UV Die Attach)
紫外固化借助紫外线照射快速固化胶膜,适用于超薄晶圆和堆叠封装,但对光照均匀性要求高。
5.银烧结(Silver Sintering Die Attach)
银烧结利用纳米银浆在高温压力下烧结成致密层,热导率极高(200–250 W/m·K),耐高温性能好,是宽禁带半导体器件的理想选择。
6.热压键合(Thermocompression Die Bonding)
热压键合通过金属原子扩散直接键合,无需中间材料,可靠性极高,适合MEMS和气密封装。
7.倒装芯片(Flip Chip Die Attach)
倒装芯片将芯片有源面朝下通过凸点与基板连接,缩短互连路径,提升电性能和散热能力,广泛用于高端CPU、射频模块等。
工艺过程与控制要点
Die Attach工艺需严格控制多项参数以确保粘接质量。在粘接前,需进行晶圆扩张以增大芯片间距,便于拾取操作。粘接过程中,贴片设备通过视觉系统实现纳米级对准,使用真空吸盘拾取芯片并精准放置。关键控制项目包括胶量或焊料量的精确控制,避免过多溢胶或过少虚贴;芯片定位精度需控制在±50μm以内,尤其对大芯片要求更高;贴合压力与时间需平衡,防止芯片破损或粘接不牢;温度控制尤其在加热固化或回流焊中至关重要。
此外,银胶粘接要求周边溢胶比例不低于90%,以确认贴合良好。对超薄芯片需采用软吸头、降低动作速度以防破裂;超大芯片则需优化胶层应力分布。
质量评估与可靠性保障
Die Attach完成后需通过多种无损检测手段评估粘接质量。X射线成像可检测粘接层中的空洞、裂纹和厚度均匀性,空洞区域在图像中呈暗斑。超声波扫描利用高频声波反射识别微裂纹和分层等缺陷。常见失效模式包括空洞、脱层和开裂。
空洞多因气体或水分残留导致,阻碍散热并引发局部过热;脱层常由材料热膨胀系数不匹配引起,如硅芯片(CTE≈2.6 ppm/°C)与环氧胶(CTE≈23 ppm/°C)的差异易导致界面分离;开裂则源于热应力或机械疲劳,微裂纹即可显著影响性能。通过早期缺陷识别和工艺优化,可大幅提升产品良率和可靠性。
Die Attach是保障芯片机械稳固、热管理效率和电气连接可靠性的基石。随着半导体技术向高功率、高集成度方向发展,粘接材料与工艺的进步将继续推动器件性能提升与应用领域拓展。选择合适的Die Attach方式,不仅关乎封装成败,更直接影响电子产品的整体寿命与稳定性。
来源:《Jeff的芯片世界》
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