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手艺前沿:显现驱动芯片封装——从凸块制作到
日期:2022年01月26日    来源:未知

  比年来借助着宏大的市场需要、丰硕的生齿盈余、不变的经济增加以及主动的财产政策搀扶等劣势,中国集成电路财产完成为了奔腾式的开展,增速远高于环球集成电路行业的增加程度,今朝中国在环球集成电路市场占有没有足轻重的职位。我国作为开展中国度,相对兴旺的消耗需要,集成电路产量范围还相对付较小。按照国度统计局数据,2020年中国集成电路的产量为2,614.70亿块,同比增加29.56%。按照海关总署统计,2020年中国入口集成电路5,435.00亿块,同比增加22.10%,我国集成电路的入口替换空间非常宽广。

  显现驱动芯片是显现面板成像体系的主要构成部门之一,芯片集成为了电阻、调理器、比力器以及功率晶体管等部件,掌握着显现面板的发光芒性度、功率、电磁兼容等枢纽身分,从而包管显现画面的平均性以及不变性。显现面板由百万级或万万级的像素构成,单颗显现驱动芯片能够掌握浩瀚像素,凡是小尺寸面板仅需求一颗显现驱动芯片便可掌握一切像素,大尺寸面板则需求十多少至多少十颗显现驱动芯片,因而显现驱动芯片的引脚浩瀚且布列严密,对封装测试的手艺请求也更高。

  凸块制作手艺使患上传统封装的线毗连酿成为了点毗连,明显进步了引脚密度。在封装环节,目上次要接纳玻璃覆晶封装(COG)以及薄膜覆晶封装(COF)手艺,玻璃覆晶封装减小了模组体积、良品率高、本钱低且易于量产;薄膜覆晶封装可觉患上屏幕地区预留出更大的空间,在高清大屏或片面屏趋向下薄膜覆晶封装的使用比例逐渐进步。

  今朝常见的显现驱动芯片包罗LCD驱动芯片以及OLED驱动芯片。LCD驱动芯片经由历程领受掌握芯片输出的指令,决议施加何种水平的电压到每一一个像素的晶体管,从而改动液晶份子布列/改变水平,由每一一个像素的透光率上下完成颜色变革,进而组成显现画面。OLED驱动芯片经由历程向OLED单位背地的薄膜晶体管发送指令,掌握OLED子像素的亮度进而收回差别色彩的光。

  在显现驱动芯片财产链中,普通由显现面板企业向芯片设想公司提出设想需要,芯片设想公司在实现设想后别离向晶圆制作代工场以及封装测试企业下定单,晶圆制作企业将制作好的晶圆废品交由封装测试企业,最初封测企业在实现凸块制作、封装测试环节后,间接将芯片废品发货至显现面板或模组厂商停止组装。

  显现驱动芯片的封装成型需求颠末多道工序的协同共同。起首,对客供晶圆停止微观检测,察看其能否存在产物缺点;关于查验及格的晶圆,在其外表建造金凸块作为芯片接合的根底;厥后,对晶圆上的每一一个晶粒用探针停止打仗,测试其电气特征,对不迭格的晶粒停止墨点标识;接着,将晶圆研磨至客户需求的厚度再停止切割,仅将及格的芯片挑选进去;最初,客户请求在玻璃基板长停止接合的则在实现切割、挑选后包装出库(COG),由面板或模组厂商卖力芯片与玻璃基板的接合;客户请求在卷带长停止接合的则需求先将芯片内引脚与卷带接兼并涂胶烘烤结实,停止芯片废品测试后再包装出库(COF)。在整道消费流程中还包罗屡次的野生目检以及光学主动检测,以保证产物的质量。

  金凸块制作是晶圆入料查抄实现后的首道工序,制作出的金凸块是后续引脚接合的根底,建造历程庞大,此中次要步调的工艺流程图以下:

  (3)上光刻胶、暴光、显影:涂布光刻胶,并透过光掩膜板对涂胶的硅片停止暴光,使光刻胶发作化学反响,再将其浸入显影液中则只要部门会消融,从而患上以在光刻胶上对凸块的地位开窗。

  (4)电镀:将晶圆浸入电镀液中,通电后电镀液中的金属离子,在电位差的感化下将挪动到开窗部位构成金凸块。

  (5)去光刻胶、蚀刻:去除了光刻胶,并经由历程蚀刻精准去除了金凸块四周的金层以及钛钨层,金凸块则建造实现。

  (6)良品测试:对晶圆外表金凸块的各项丈量规格如高度、长宽尺寸、硬度、外表粗拙度、剪应力等停止良品测试后则可进入晶圆测试制程。

  晶圆测试是指用探针与晶圆上的每一一个晶粒打仗停止电气毗连以检测其电气特征,关于检测不迭格的晶粒用点墨停止标识,经由历程点墨标识一方面能够间接计较出晶圆的良率,另外一方面能够削减后续工序的事情量,进步封装的服从,有用低落团体封装的本钱。该工次第要经由历程测试装备与探针台协同实现。

  玻璃覆晶封装(COG)玻璃覆晶封装是指将芯片上的金凸块与玻璃基板停止接合的先辈封装手艺,由封装测试厂商将芯片研磨、切割成型后,由面板或模组厂商将芯片与玻璃基板相分离。公司的玻璃覆晶封装制程次要包罗研磨、切割以及挑选等环节,次要步调的工艺流程图以下:

  (3)去膜、切割:去掉庇护胶膜后,将晶圆箍于铁框内,用钻石刀片将晶圆切割成响应规格的芯片,切割后再次观察其能否存在碎裂、裂缝、刮伤、金属翘起等缺点。

  (5)挑选安排、终纵目检:将切割好的干净的芯片挑选安排于盛载盘上,终极经由历程显微镜进一步目检。

  薄膜覆晶封装与玻璃覆晶封装的工艺不同在于与芯片间接接合的基板差别,以及薄膜覆晶封装需停止芯片废品测试。玻璃覆晶封装是将芯片引脚间接与玻璃基板接合,故只要切割成型,后续引脚接合由面板或模组厂商卖力,而薄膜覆晶封装的软性电路基板(卷带)上凡是会设想输入端以及输出端引脚,需求公司先将芯片的金凸块与卷带上的内引脚接合,以后由面板或模组厂商将外引脚与玻璃基板接合,以下图所示:

  (3)去膜、切割:去掉庇护胶膜后,将晶圆箍于铁框内,用钻石刀片将晶圆切割成响应规格的芯片,切割后再次观察其能否存在碎裂、裂缝、刮伤、金属翘起等缺点。

  (5)挑选、内引脚接合:将切割好的干净的芯片挑选进去把芯片上的金凸块与卷带的内引脚停止接合。

  (8)废品测试、光学主动检测及包装出库:操纵检测装备停止芯片废品测试,查验其电气性、微观构造等,以及表面检测其能否存在缺点,查验及格则可整卷包装出库。

  集成电路制作财产链次要包罗芯片设想、晶圆制作、封装测试三个子行业,封装测试行业位于财产链的中下流,该营业本质上包罗了封装以及测试两个环节,但因为测试环节普通也次要由封装厂商实现,因此普通统称为封装测试业。

  封装是将芯片在基板上规划、牢固及毗连,并用绝缘介质封装构成电子产物的历程,目标是庇护芯片免受毁伤,包管芯片的散热机能,以及完成电旌旗暗记的传输。颠末封装的芯片能够在更高的温度情况下事情,抵抗物理损伤与化学腐化,带来更佳的机能表示与耐费用,同时也更便于运输以及装置。

  测试则包罗进入封装前的晶圆测试以及封装实现后的废品测试,晶圆测试次要查验的是每一一个晶粒的电性,废品测试次要查验的是产物电性以及功用,目标是在于将有构造缺点以及功用、机能不契合请求的芯片挑选进去,是节省本钱、考证设想、监控消费、包管质量、阐发作效以及指点使用的主要手腕。

  封装测试业是我国集成电路行业中开展最为成熟的细分行业,活着界上具有较强合作力,环球的封装测试财产正在向中国转移。按照中国半导体行业协会统计数据,今朝海内的集成电路财产构造中芯片设想、晶圆制作、封装测试的贩卖范围约莫呈4:3:3的比例,财产构造的平衡有益于构成集成电路行业的内轮回,跟着上游芯片设想财产的放慢开展,也可以促进处于财产链下流的封装测试行业的开展。

  今朝,环球封装行业的支流手艺处于以CSP、BGA为主的第三阶段,并向以倒装封装(FC)、凸块制作(Bumping)、体系级封装(SiP)、体系级单芯片封装(SoC)、晶圆级体系封装-硅通孔(TSV)为代表的第四阶段以落第五阶段封装手艺迈进。

  显现驱动芯片属于数/模混淆集成电路,其电旌旗暗记经过芯片与基板的键合点、基板上的金属线路而抵达被掌握的像素点。跟着对显现分辩率的请求愈来愈高,显现驱动芯片的I/O端口数愈来愈多,云云大范围的输入输出对芯片封装手艺的请求很高,而且跟着电子产物以轻浮短小为开展趋向,请求显现驱动芯片的体积进一步减少,集成度进一步进步。

  凸块制作工艺分离玻璃覆晶封装(COG)或薄膜覆晶封装(COF)凭仗其多I/O、高密度等特性,曾经成为显现驱动芯片封装手艺的支流,且其接纳倒装芯片构造,不必焊线。玻璃覆晶封装次要用于小尺寸面板产物如手机、数码相机、平板电脑等,而薄膜覆晶封装将芯片封装在可蜿蜒的柔性基板上,故占用面积更小,次要使用于大尺寸面板产物如电视、电脑显现器等以及对边框请求更高的片面屏手机。

  凸块制作是一种新型的芯片与基板间电气互联的方法,这类手艺经由历程在晶圆上建造金属凸块完成。详细工艺流程为:晶圆在晶圆代工场实现基体电路后,由封测代工场在切割之行停止加工,操纵薄膜制程、黄光、化学镀制程手艺及电镀、印刷手艺、蚀刻制程,在芯片的焊垫上建造金属焊球或凸块。比拟传统的打线手艺向周围辐射的金属“线毗连”,凸块制作手艺反应了以“以点代线”的开展趋向,能够大幅减少芯片体积,拥有密度大、低感到、低本钱、散热才能优秀等长处;且凸块阵列在芯片外表,引脚密度能够被做患上极高,便于满意芯片机能提拔的需要。别的,凸块的选材、机关、尺寸设想会受多种身分影响,比方封装巨细、本钱、散热等机能。

  凸块制作手艺来源于20世纪60年月。上世纪60年月,IBM公司开辟了倒装芯片手艺,第一代倒装芯片为拥有三个端口的晶体管产物。跟着电子器件体积的不竭减小以及I/O密度的不竭增长,20世纪70年月,IBM公司将倒装芯片手艺开展为使用在集成电路中的C4手艺,C4手艺经由历程高铅含量的焊料凸块将芯片上的可润湿金属焊盘与基板上的焊盘相连,C4焊球能够满意拥有更精密焊盘的芯片的倒装焊请求。尔后凸块制作手艺进一步开展,操纵熔融凸块外表张力以支持晶片的分量及掌握凸块的高度。

  IBM公司开辟出的初代凸块制作手艺奠基了凸块制作手艺的底层工艺,并就该手艺申请了创造专利。IBM公司经由历程高铅焊料蒸镀工艺停止凸块加工,利用低温/高温共烧陶瓷载板(基板)停止互联,受该工艺计划限定,其时凸块间距较大(250μm)、焊接温度太高(300℃),且消费本钱高居不下,极大限定了凸块制作手艺的推行以及使用。

  跟着集成电路行业的开展,新的凸块制作工艺突破了初代手艺的困局,其开展阶段与集成电路行业的两次严重财产转移以及显现面板财产的开展亲密相干。

  集成电路行业的第一次财产转移在1970-1980年月由美国至日本:美国作为集成电路的起源地,20世纪70年月间,前10大集成电路制作商险些均来自美国。日本在美国手艺撑持与外国政策与资金撑持下,依靠家电以及产业级计较机财产繁华开展完成反超,在20世纪80年月末,前10大集成电路制作商中有一半以上来自日本。与此同时,日本外乡劈面板智能化、轻浮化的需要增长,随之出现多量日本封测手艺厂商,凸块制作手艺在这时期获患上较大开展。

  第二次集成电路行业财产转移在20世纪80年月-21世纪初,由日本至韩国、中国:凭仗昂贵野生本钱及大批高本质人材,韩国适应消耗级PC的趋向倏地开展,而中国在晶圆代工场、芯片封测范畴的垂直合作下呈现市场时机,韩国与中国疾速代替日本在集成电路财产大部门的市场份额。面板财产亦转移至韩国与中国,凸块制作手艺在财产化及转移的过程傍边跟着终端使用的需要不竭被优化,溅射凸块底部金属工艺以及电镀凸块工艺代替了本来本钱昂扬的蒸镀手艺计划,并将凸块间距减少至200μm下列,原质料亦呈现多元化,消费良率不竭回升。

  2010年以来,环球集成电路财产与显现面板财产向中国转移的趋向加强。跟着集成电路晶圆制程手艺从2000年阁下的300nm开展到今朝的7nm,凸块间距也开展到100μm下列的极细间距范畴,单芯片上的金属凸块超越1,500个,需求每一一个凸块都同基板上的线路构成优良电气打仗,高密度细间距凸块规划对封测企业的凸块制作手艺提出了极高请求。今朝凸块制作手艺底层工艺专利已成为公然手艺,国表里偕行业公司凸块制作手艺均在原有凸块制作底层工艺长停止各个环节的手艺立异,以到达终端使用开展的需要。④凸块制作手艺是先辈封装手艺开展与演化的主要根底

  跟着集成电路行业手艺的前进与终端电子产物需要的进步,凸块制作手艺也不竭瓶颈、完成大范围财产化,并开展成为枢纽的高端先辈封装手艺之一。凸块制作手艺的主要性在于它是各种先辈封装手艺患上以完成进一步开展演变的根底。倒装芯片(FC)手艺、扇出型(Fan-out)封装手艺、扇进型(Fan-in)封装手艺、芯片级封装(CSP)、三维平面封装(3D)、体系级封装(SiP)等先辈封装构造与工艺完成的枢纽手艺均触及凸块制作手艺。硅通孔手艺(TSV)、晶圆级封装(WLP)、微电子机器体系封装(MEMS)等先辈封装构造与工艺均是凸块制作手艺的演变延长。

  按照Frost&Sullivan统计,跟着终端需要的增长,环球显现面板市场范围从2016年的1.88亿平方米增加至2020年的2.42亿平方米,年复合增加率为6.53%。跟着手艺的成熟开展以及下流需要的增加,估计环球显现面板的出货量将从2021年的约2.54亿平方米增加至2025年的约2.79亿平方米。

  跟着电视面板分辩率的提拔,每一台电视所需显现驱动芯片颗数险些成倍增长。每一台高清、全高清或2K电视仅需4-6颗显现驱动芯片,但每一台4K电视需利用10-12颗显现驱动芯片,而每一台8K电视利用的显现驱动芯片高达20颗。

  环球显现驱动芯片出货量从2016年的123.91亿颗增加至2020年的165.40亿颗,年复合增加率为7.49%。估计将来将连续增加,到2025年出货量增至233.20亿颗。LCD面板出货量稳步增加,动员LCD驱动芯片出货量逐渐提拔。2020年,环球LCD驱动芯片出货量为151.40亿颗,估计将来将持续不变在超出跨越货量程度,到2025年增至208.70亿颗。患上益于OLED屏幕的高速增加,OLED驱动芯片出货量亦倏地增加,估计到2025年将增至24.50亿颗,将来五年复合增加率达13.24%。