Die Attach，也称为晶粒粘接（Die Bonding）或晶粒安装（Die Mount），是半导体行业中一种关键工艺。它通过专用设备将硅芯片固定在半导体封装的支撑结构上，如引线框架（Lead frame）或金属壳体底座（Metal Can Header）的晶粒焊盘（Die Pad）上。作为半导体后端制造流程的重要环节，Die Attach工艺不仅确保芯片与封装结构之间的机械稳固连接，还对生产效率和产品质量起着决定性作用。

 

本文将全面探讨Die Attach的基础知识、其重要性、所使用的材料与方法、工艺参数控制，以及质量与可靠性保障技术。

 

#01  什么是die attach

Die Attach（晶粒粘接）是半导体器件制造与封装过程中至关重要的一道工艺环节。它的核心任务是将半导体芯片——

即整个器件的 “智能中枢” ——牢固地粘接到基板或封装体上。根据电子器件的不同设计和功能需求，封装形式多种多样，包括但不限于引线框架（Lead Frame）、陶瓷基板（Ceramic Substrate）以及印刷电路板（PCB）等。

Die Attach工艺对电子设备的整体性能和长期可靠性起着决定性作用。首先，它通过在芯片与封装体之间形成稳定且坚固的机械连接，有效保护芯片免受组装、运输及使用过程中产生的机械冲击和压力损伤。其次，粘接层不仅起到机械固定的作用，更是芯片热管理体系中的关键组成部分。它充当高效的热传导桥梁，将芯片在运行时产生的热量迅速传递至封装体或基板，有助于维持芯片的工作温度在安全且稳定的范围内，避免过热带来的性能退化和寿命缩短。

尤其对于高功率半导体器件而言，Die Attach的热管理功能尤为关键。随着器件功率密度的不断提升，芯片产生的热量显著增加，合理的热量散发成为保障器件稳定运行和防止失效的关键因素。因此，高品质的Die Attach工艺不仅提升了器件的热性能，也显著增强了其机械强度和电气性能，为现代高性能半导体器件的可靠性和长寿命提供了坚实保障。

1.1 Die Attach的基本作用

在微电子领域，“die”指的是构建了完整电路功能的微小半导体材料片。通常，这些芯片由硅（Silicon）制造，但根据具体应用需求，也可能采用其他半导体材料，如砷化镓（GaAs）或碳化硅（SiC）。芯片内部集成了晶体管、电容、电阻等多种电子器件，是实现各种电子功能的核心基础。

 

1. Die Attach（晶粒粘接）工艺的核心任务

Die Attach工艺的主要目的是将芯片牢固地粘接到封装体或基板上，实现可靠的机械固定和热传导功能。其连接具有两个关键作用：

机械连接

该连接为芯片提供结构上的支撑与固定，使其能够承受封装后续工艺、运输及最终使用过程中产生的机械应力和冲击，防止芯片移位、破裂或脱层。

 

 

热通道

Die Attach层作为芯片与封装或基板之间的重要热桥梁，有效将芯片工作时产生的热量传导出去，促进散热，确保芯片工作温度保持在安全范围内。对于功率密度较高的器件，这一点尤为关键，因为温度过高不仅影响性能，还可能导致器件失效。

 

2. Die Attach对电子器件性能与可靠性的决定性影响

热管理功能

芯片在工作过程中会产生大量热能。若不能及时散热，芯片温度将持续上升，导致电路性能下降、加速老化甚至发生失效。Die Attach层的热导性能直接影响热量传导效率。例如，金硅（AuSi）共晶合金的热导率约为57 W/mK，能高效传递芯片热量，保障设备的稳定运行。

机械稳定性保障

半导体芯片材质脆弱，易受机械冲击和热循环应力的影响而破裂或出现层间剥离。优质的Die Attach工艺通过形成强劲且均匀的机械结合，提升芯片的抗冲击能力，降低因热胀冷缩产生的应力集中，延长器件寿命。

可靠性与缺陷控制

Die Attach层中的缺陷，如空洞（voids）、裂纹或材料不均匀分布，可能引发局部热热点或机械应力集中，增加器件故障风险。研究显示，控制环氧类粘接材料中的空洞率低于1%，能显著提升功率半导体器件的长期可靠性和使用寿命。

 

综上所述，Die Attach不仅是实现芯片与封装的物理连接，更是确保器件热管理、机械稳固及整体可靠性的重要基础工艺。随着半导体技术向高性能、高功率密度方向发展，Die Attach工艺的质量和材料选择对提升终端电子产品的性能和寿命起到越来越关键的作用。

1.2 Die Attach 使用的材料

用于Die Attach的材料统称为晶粒粘接材料（Die Attach Materials，简称DAMs），主要包括钎焊合金、导电胶以及共晶合金等。材料的选择不仅关系到机械强度，还需综合考虑其热导率、电导率以及与芯片和基板的材料兼容性，因而对最终电子器件的性能和寿命具有决定性影响。

 

 

根据材料属性和应用需求，Die Attach材料大致可分为三大类：金属合金、陶瓷材料和聚合物材料，各具优势和局限，适用于不同的应用场景。

 

1. 金属合金类

 

金属合金材料以其优异的热导和电导性能，广泛应用于高性能和高功率半导体器件中。常见的金属合金包括：

 

金锡合金（AuSn）

熔点约280°C，热导率高达约58 W/mK。凭借其优异的热导性和机械强度，AuSn是高功率器件中理想的Die Attach材料，能有效保证芯片的散热效率和结构稳定性。但由于金属材料中金的成本较高，使得整体材料成本相对较大，限制了其在成本敏感型应用中的普及。

 

金硅合金（AuSi）

典型共晶合金，熔点约363°C，适用于工作温度较高的环境，且同样具备良好的热导性能（约57 W/mK）。其较高的熔点使其更适合高温工况下的器件封装，保证长期的热稳定性。

 

2. 陶瓷类材料

 

以银填充玻璃（Silver-filled Glass）为代表的陶瓷类Die Attach材料，兼具良好的热性能与电气绝缘特性。

 

热导率：通常在3～4 W/mK范围，虽然低于金属合金，但足以满足大多数普通功率器件的散热需求。

 

加工温度：一般低于200°C，相比金属合金具有更低的工艺温度，适合温度敏感型芯片。

 

优势：具备优良的电绝缘性能，适合对电气隔离要求较高的应用，同时成本相对适中。

 

3. 聚合物类材料

 

聚合物Die Attach材料主要以环氧树脂为基础，填充银粒子以提升导热性能，是目前应用广泛的低成本方案。

 

纯环氧树脂的热导率较低，仅约0.2 W/mK，但通过添加银粒子填料，热导率可提升至3～4 W/mK，接近银填充玻璃陶瓷的水平。

 

加工温度：通常低于150°C，工艺相对简单，兼具较好的机械强度和粘接性。

 

应用：因成本较低且工艺灵活，广泛应用于中低功率器件及成本敏感型产品。

 

不同应用场景下，Die Attach材料的选择需要综合考虑以下关键因素：

 

热性能：确保芯片的热量能有效散发，防止过热导致性能衰退或失效。

 

电性能：部分材料需具备良好的导电性，或者需要电绝缘特性以防短路。

 

机械强度：保证芯片在后续制造及使用过程中不受机械损伤。

 

加工温度：需兼顾封装工艺的温度限制，避免对芯片或基板造成热损伤。

 

成本控制：根据产品定位平衡性能与制造成本。

 

综上所述，选择合适的Die Attach材料是实现高性能、高可靠性和经济性的半导体封装设计的重要保障。

 

1.3 Die Attach（晶粒粘接）工艺

 

从晶圆切割下来的芯片（Die）需通过多种不同的Die Attach工艺，精确地固定在基板上的特定焊盘位置，这个焊盘通常称为“Die Attach Pad”（晶粒粘接焊盘）。基板可以是引线框架（Lead Frame）、金属底座（Metal Substrate）或其他封装支撑结构，起到支撑和热散作用。

 

 

1. Die Attach工艺中的关键设备与动作

 

在Die Attach（晶粒粘接）或Die Bonding（晶粒键合）过程中，核心环节是对芯片（Die）与基板（Substrate，通常为引线框架）进行精确对位和粘接。整个过程依赖于高精度的Die Attach设备，主要动作包括：

 

 

精密对位：通过视觉系统和运动控制系统，实现芯片与基板焊盘的纳米级对准，确保粘接位置准确无误，避免因偏移导致后续封装或电气性能问题。

 

 

 

拾取与放置：使用拾取工具（Pick-Up Tool）或晶粒夹头（Die Collet）沿Z轴方向下移，轻柔接触或靠近芯片表面完成拾取与放置动作。

 

顶出机构配合：设备内设有顶针（Ejector Needles）、针架（Needle Holders）及“胡椒孔盘”（Pepper Pots）等元件，配合拾取系统，实现芯片从晶圆胶膜（Die Attach Film）上的顶出，确保芯片顺利脱离并稳定被拾取。

 

真空固定：拾取过程中，利用真空压力吸附芯片，防止芯片滑动或脱落，保障芯片在转移和放置环节的稳定性和准确性。

 

2. Die Attach工艺流程主要步骤

 

1）晶圆扩张（Wafer Expansion）

 

经过测试和探针检测的晶圆由晶圆制造厂供给。为方便后续自动拾取和粘接操作，晶圆会经过扩张工艺，即增加相邻芯片间的间距，从而为光学识别（晶圆映射）和机械拾取提供足够空间。扩张工艺使各芯片保持在晶圆原阵列中的相对位置，但实际占据的面积增加。随着芯片尺寸日益缩小和厚度减薄，晶圆扩张工艺的应用有所减少，部分生产流程直接采用切割后的单片芯片。

 

2）Die Attach / Die Bonding

 

晶粒粘接方式多样，按材料和工艺性质大致可分为两类：

 

共晶粘接（Eutectic Attach）

 

利用共晶合金（如AuSn、AuSi）通过加热使材料熔化流动，形成牢固的金属键合，适合高导热、高可靠性要求的器件。

 

胶粘接（Adhesive Attach）

 

主要使用环氧树脂、紫外固化胶或导电胶等聚合物胶黏剂，在较低温度条件下固化完成粘接，适合对温度敏感的器件及成本控制要求较高的应用。

 

每种方法在材料选择、加工温度、压力控制及粘接性能方面均存在差异，需根据产品设计和工艺要求优化。

 

#02  常见die attach方式

 

2.1 软钎焊 Die Attach（Soft Solder Die Attach）

软钎焊 Die Attach 是一种经典的芯片粘接工艺，采用低熔点金属钎料作为粘接材料，将芯片牢固地固定在引线框架（Lead Frame）或金属基板的 Die Pad（粘接焊盘） 上。所使用的钎料通常以线材卷（wire roll）的形式提供，通过设备加工成片状或预成型（preform）形态用于装配。

分类	内容
优点	• 工艺成熟，适合大批量自动化生产。
	• 金属间连接强度高，导电导热性能良好。
	• 可重复性好，适用于高一致性要求的产品。
局限性	• 钎料的热导率（约30–60 W/m·K）相较共晶合金或银烧结材料略低。
	• 粘接过程中可能产生空洞（Voids）或焊接不良，影响热性能与可靠性。
	• 某些钎料成分含铅，需满足RoHS等环保法规限制。
应用场景	• 适用于中等功率要求的功率半导体、LED封装、传感器等。
	• 在对成本、工艺温度控制要求适中的中高端电子封装中具有广泛应用。

 

工艺流程概述：

 

晶圆芯片准备与顶出（Ejection）

 

芯片（Die）从晶圆切割完成后，仍附着在背胶膜上。通过顶针（Ejector Pin）系统从晶圆背面轻柔顶起，使芯片脱离黏胶，准备进行拾取操作。

 

芯片拾取与精确贴装（Pick & Place）

 

拾取工具（Pick and Place Tool，亦称 Pick-Up Tool 或 Die Collet）从晶圆上拾取芯片，并在视觉定位系统引导下，将芯片精准放置到引线框架的 Die Attach 区域上。

 

钎料沉积与贴装

 

粘接区域预先铺放钎料片（Solder Preform）或沉积钎膏（Solder Paste），芯片放置后通过贴装头加压，使其与钎料良好接触。

 

加热回流（Reflow Soldering）

 

整个结构被加热至钎料的熔点以上（如 SnPb 合金约183°C，SAC合金约217°C），钎料熔化后润湿芯片背面与基板金属面，冷却后形成稳定的金属键合。

 

钎料材料特点（常见种类）：

 

SnPb（锡铅）合金：传统钎料，润湿性好，易加工，但不符合RoHS环保要求；

 

SnAgCu（SAC）合金：无铅环保钎料，力学性能优良，应用广泛；

 

InSn（铟锡）合金：低熔点、高延展性，适用于热敏器件。

 

2.2 共晶 Die Attach（Eutectic Die-Attach）

 

共晶 Die Attach 是一种利用金属共晶合金（如金-硅、金-锡）作为粘接材料的高可靠性粘接工艺。与软钎焊方式不同，此工艺不使用预制的钎料片（Soft Solder Preforms），而是依赖芯片与基板（金属底座或引线框架）之间的金属层直接反应形成共晶连接。

 

分类	内容
优点	• 形成可靠的金属间结合，具有极高的粘接强度和长期热稳定性
	• 出色的导热性（如 Au-Si 热导率约 57 W/m·K），适用于高功率散热要求
	• 耐高温、耐老化，适合苛刻环境下的长期使用
	• 工艺成熟，易于集成到高端自动化封装流程中
局限性	• 工艺温度较高（一般 > 360°C），对芯片和封装材料的耐热性提出更高要求
	• 对工艺参数（温度、时间、压力）控制要求严苛，稍有偏差可能导致连接不良或金属脆化
	• 材料成本较高（例如金属镀层或AuSn合金）
	• 不适用于热敏感器件或低温工艺平台
典型应用场景	• 射频（RF）功率器件、高频通信芯片（如PA、LNA等）
	• 激光器、光电探测器等光电器件封装
	• 高可靠性要求的航空航天或军工电子产品
	• 高功率LED、微波模块、雷达发射端器件等

 

在实际应用中，引线框架的 Die Attach 区域通常只在局部镀银（Ag），而芯片背面则镀有金（Au）层。当芯片被放置在 Die Pad 上后，整个组件会在 Die Attach 设备中加热至合金的共晶温度以上（如金-硅共晶温度约为363°C），触发金与硅之间的合金反应，熔融并形成牢固的金属间结合。

为提高界面润湿性并排除微小气泡，工艺中还常引入微幅“擦拭运动（Scrub Motion）”，该运动有助于：

 

加速金属间原子扩散；

 

排除粘接区域内的气泡或污染物；

 

促进共晶材料在界面均匀铺展；

 

提升粘接均匀性和热导路径稳定性。

 

金-硅共晶连接（Au-Si）特别适用于高温、高功率电子封装，如雷达、光电器件和射频功率器件等场景，因其具备：

 

高熔点（>360°C）；

 

良好的导热性（热导率~57 W/m·K）；

 

卓越的可靠性和长期热稳定性。

 

2.3 环氧 Die Attach（Epoxy Die-Attach）

 

环氧 Die Attach 是一种通过环氧类导电或非导电胶粘剂将芯片固定至封装结构（如引线框架、金属基板、陶瓷载体等）上的粘接工艺，广泛应用于中低功率器件的封装中。

 

在此工艺中，使用环氧 Die Bonder 或精密点胶设备，先将环氧粘接材料（Epoxy Adhesive）精确滴布在目标基板的粘接焊盘（Die Bond Pad）上。然后通过拾取工具（Pick-Up Tool）将芯片准确放置在胶点上。在贴装完成后，组件需按照材料厂商推荐的固化曲线（Cure Profile）进行加热，以使环氧材料交联固化，形成可靠的机械与热连接。

 

分类	内容
优点	• 工艺温和，固化温度低（一般 < 175°C），适用于温度敏感芯片及器件；
	• 粘接过程无需复杂真空或惰性气氛环境，工艺设备简单、成本低；
	• 可通过填充银粉等方式提升热导率，导热性可达 3~8 W/m·K；
	• 可大面积覆盖芯片底部，适配尺寸较大或不规则的 Die；
	• 适合自动化点胶/贴片工艺，重复性与良率较高。
局限性	• 相较金属焊料或烧结银材料，热导率和电导率仍偏低（银填料环氧为中等水平）；
	• 环氧老化后可能出现脆化或界面脱层，长期可靠性需控制湿气、热应力等因素；
	• 粘接层中可能产生空洞或气泡，影响热管理与粘接强度；
	• 若溢胶至焊盘区域，可能影响后续引线键合或封装步骤。
典型应用场景	• 中低功率器件（如逻辑芯片、LED、小信号放大器等）；
	• 高性价比消费类电子产品（如摄像头模组、功放模组等）；
	• 环境条件要求温和、无需极高导热或电导性能的场合；
	• 对封装尺寸、粘接面积有较高灵活性要求的产品，如大面积芯片、电源模块。

 

常用环氧类材料包括：

 

环氧树脂（Epoxy）： 应用最广，通常需加热固化，具备良好机械性能和较低加工温度；

 

聚酰胺（Polyimide）： 适用于高温环境，耐热性能更优；

 

填银环氧（Ag-filled Epoxy）： 在环氧基体中加入高导热银颗粒，提升热导率至 3–8 W/m·K，兼顾粘接强度与热管理能力；

 

银粉玻璃材料（Glass-Frit with Ag）： 属于复合材料，可提供更强的耐温性和低挥发性，适用于特殊封装需求。

 

芯片贴装后，其四周与环氧粘接剂接触形成的区域即为“环氧覆盖区（Epoxy Coverage Area）”，该区域的大小与均匀性直接影响芯片的散热通道和应力分布。覆盖不充分可能导致空洞或应力集中，而覆盖过多则易产生溢胶，污染焊盘或引脚区，影响后续封装质量。

 

工艺特点：

 

固化温度低（一般在 125~175°C 之间），适合温度敏感型芯片；

 

工艺灵活，便于实现自动化与批量生产；

 

材料配方多样，可根据需求选择导热性、粘接强度、低释气性等性能。

 

2.4 紫外固化 Die Attach（UV Die Attach）

 

紫外固化 Die Attach 是一种利用紫外光照射促使粘接材料发生交联反应，从而实现芯片固定的工艺方法，常用于处理丙烯酸类压敏胶（PSA）或紫外光敏型 Die Attach Film（DAF）。

 

该工艺通过紫外线（通常波长范围为 365~400 nm）照射粘接膜，使其粘性降低、力学强度上升，形成更加稳定且可控的粘接界面。特别适用于薄型晶圆、堆叠封装或芯片对膜类结构的应用。

 

 

技术优势：

 

类型	描述
粘接力精准可控	UV固化可调整粘接层的剪切强度和表面黏附性，减少芯片飞脱、移位等风险。
适用于超薄晶圆	在堆叠封装（如PoP、3D封装）中，可有效提升对薄晶圆的控制力，防止切割过程中芯片飞出。
工艺兼容性强	紫外固化膜广泛兼容当前主流的晶圆贴片、切割与键合工艺，支持大尺寸晶圆。
无热固化影响	不依赖热源，对温度敏感器件尤其友好。

 

关键应用挑战与注意事项：

 

固化深度受限：UV固化存在光穿透限制，尤其在多层膜或厚封装中，需特别设计UV光强与照射时间；

 

需编程式光照曲线：为了确保固化均匀性和防止边缘未固化，UV照射常需设置逐步增减的强度轮廓；

 

需防止胶丝与溢胶问题：UV不充分固化时可能出现“adhesive whiskering”（胶丝）或胶水迁移，应适配清洁室与防污染要求；

 

工艺参数需匹配材料特性：不同 DAF 材料的UV响应性能差异显著，需通过实验验证照射时间、波长、强度等。

 

典型应用场景：

 

应用方向	说明
堆叠封装（Stacked Die / 3D封装）	如 eMMC、PoP、CIS模组中，UV DAF 可实现芯片间粘接与精准定位控制。
超薄晶圆切割	有效提升切割精度，避免薄片飞脱或粘连。
CMOS图像传感器（CIS）封装	在影像模组中，DAF 加 UV 固化可兼顾透明性、洁净度与高可靠性。

 

2.5 银烧结 Die Attach（Silver Sintering Die Attach）

 

银烧结是一种高可靠性、无铅环保的新型晶粒粘接工艺，通过纳米级或微米级银颗粒在一定温度、压力与时间条件下烧结成致密导热层，用于取代传统软钎焊或共晶粘接。

 

 

银烧结技术被广泛认为是高功率、高温、高可靠性封装领域的重要趋势，尤其适用于功率器件、汽车电子、射频模块、SiC/GaN等宽禁带半导体器件的封装。

 

技术优势：

 

类别	描述
高热导率	烧结银层的热导率可达 200~250 W/m·K，远高于传统钎料（如SnAgCu约60 W/m·K）与填银环氧树脂。
高熔点、高温可靠性	烧结银本身熔点高达 962°C，工作温度范围宽，不易发生蠕变或再熔问题，适合 >250°C 工作环境。
优异的机械强度与抗疲劳性能	烧结层具有高度致密的金属连接结构，具备良好的剪切强度与抗热疲劳特性，可显著提升焊点寿命。
无铅环保	不含有害重金属，符合RoHS等环保法规要求。

 

工艺流程概述：

 

工艺步骤	说明
1. 银浆印刷或点胶	将银烧结膏（Silver Paste）印刷至基板粘接区，常使用丝网印刷、模板点胶或喷印方式。
2. 芯片贴装	将晶粒（Die）准确定位至银浆上，保证良好覆盖与对准。
3. 烧结固化	在 200~300°C 下进行数分钟至数十分钟烧结处理，部分系统需施加压力（常为 10~50 MPa），促使银颗粒致密化并形成金属键合。

 

工艺挑战：

 

问题	说明
烧结温压耦合敏感	粘接强度与可靠性高度依赖烧结温度、压力和时间参数，需精准控制与材料匹配。
成本较高	银烧结膏价格昂贵，设备投入成本高，适合高附加值产品使用。
对基板平整度和芯片翘曲敏感	烧结层为刚性连接，需控制芯片翘曲与粘接面的共面性，避免虚焊或翘边失效。

 

典型应用场景：

 

应用	说明
SiC/GaN 等宽禁带半导体器件	在高温、高频、高压下稳定工作，传统钎焊难以满足其可靠性需求。
汽车功率模块（如IGBT）	适用于主驱逆变器、OBC、DC-DC等高功率模块封装。
工业与航天高可靠性器件	如高可靠电源模块、雷达、卫星通信等对热稳定性要求极高场合。

 

2.6 热压Die Bonding（Thermocompression Die Bonding）

 

热压Die Bonding，又称为热压接合或扩散键合（Diffusion Bonding），是一种通过同时施加热能和机械压力，使芯片与基板或引线框架等金属接触面之间发生原子级结合的精密粘接工艺。

 

 

其核心原理是：在较高温度（通常为200°C至450°C）和一定压强（例如数兆帕）条件下，使两种金属材料的接触面发生原子间扩散。随着时间的延长，原子在接触面处互相渗透，逐步形成牢固的冶金结合层（Metallurgical Bond），实现无中介材料（如焊料、胶水）的直接键合。

 

工艺流程：

 

步骤	说明
1. 表面预处理	对芯片与基板的金属表面进行清洗、等离子活化或溅射处理，以去除氧化层并提高扩散活性。
2. 芯片贴装	使用热压Die Bonder将芯片准确对位并置于金属焊盘上。
3. 热压过程	在惰性气氛或真空下，同时施加高温（通常为 250–450°C）和高压（通常为 10–100 MPa），维持几秒至几分钟，促成金属扩散键合。
4. 冷却与释放	保持压力条件下逐步冷却，使金属键合层定型，形成稳定结合界面。

 

优势特性：

 

类型	优势说明
无中间材料	不依赖焊料或粘接剂，避免引入额外界面或杂质，提高热稳定性。
极高可靠性	冶金键合为最牢固的界面形式之一，具备超强耐热、抗老化、抗热循环能力。
优异的热导性能	键合界面几乎无空洞、无中断，热阻极低，适用于高功率密度器件。
环保无铅	无需焊料，符合环保法规，适合绿色制造。

 

工艺挑战：

 

项目	描述
设备与成本较高	热压设备成本高，对温度、压力、时间精度要求严格，适合中高端制造线。
对表面清洁度要求高	表面必须无氧化层或有机污染，否则会阻碍原子扩散。需使用高洁净制程或等离子处理。
芯片翘曲与应力敏感	热压过程可能引发芯片变形或微裂纹，尤其对薄片或脆性材料需优化参数。

 

典型应用场景：

 

应用领域	说明
MEMS器件封装	对键合密封性和可靠性要求极高，热压工艺可实现高真空密封。
高功率射频模块	射频功放芯片（如GaN、GaAs）对导热性能和机械稳定性要求高。
军工、航天电子器件	要求极高的环境适应性与长期可靠性。
先进3D封装（如TSV堆叠）	适合用于硅互联、晶圆堆叠等先进封装结构中，实现芯片间直接键合。

 

2.7 倒装芯片 Die Attach（Flip Chip Die Attach）

 

倒装芯片粘接（Flip Chip Die Attach）是一种先进的芯片互连方式，其显著特点是将芯片“翻转”安装，使其有源面（Active Surface）朝下，通过预先形成的焊球（Solder Bumps）或导电凸点直接与基板上的金属焊盘连接，形成电气与机械一体化连接。

 

 

该工艺不再依赖传统的金线键合（Wire Bonding），大大缩短互连路径、提升信号完整性，广泛用于高性能计算、移动通信、汽车电子、MEMS等领域。

 

Flip Chip Die Attach 工艺结构与关键功能区

 

整个倒装芯片粘接过程可细分为三个关键功能结构：

 

区域	说明
1. 凸点下金属化（Under Bump Metallization, UBM）	UBM 是焊球与芯片内部金属互连（通常为 Al 或 Cu）之间的界面金属叠层结构，起到桥接、电气兼容、阻挡扩散及改善润湿性的作用。典型UBM结构包括：
	• 粘附层（如 Ti/TiW）
	• 阻挡层（如 Ni）
	• 润湿层（如 Cu）
	• 抗氧化层（如 Au）
2. 芯片凸点与粘接材料（IC Bump and Bond Material）	凸点可通过多种方法形成：
	• 蒸发沉积（Evaporation）
	• 电镀（Electroplating）
	• 模板印刷（Stencil Printing）
	• 喷焊（Jetting）
	常用焊料包括 SnAgCu、SnPb、SnAg 或导电聚合物（如ACF/ACP）。材料与凸点形状需精准控制，以确保后续对准和焊接的一致性。
3. 基板金属化（Substrate Metallization）	基板通常为BT树脂或有机层压板（如FR-4、ABF），表面需预处理并形成金属焊盘，典型结构为：
	• 铜焊盘 + 表面处理层（OSP、ENIG、ENEPIG等）
	• 焊膏或助焊剂印刷后，进行芯片贴装与回流焊。为兼容其他元器件组装（如SMD），焊料类型选择需注意熔点匹配。

 

Flip Chip Die Attach 工艺流程：

 

步骤	描述
1. 凸点形成	在芯片焊盘上形成凸点（通常为焊球或金属柱），并进行UBM处理。
2. 芯片翻转与对准	使用Flip Chip Die Bonder将芯片翻转，使凸点朝下，并精确对准基板焊盘。
3. 贴装与压接	芯片贴至基板后，施加适当压力以确保凸点与基板充分接触。
4. 回流焊或固化	将组装好的芯片与基板加热至焊料熔点，使凸点熔化后形成焊接连接。导电胶或热压材料可用于低温互连场合。
5. Underfill填充	回流后在芯片周边填充环氧型Underfill材料，增强机械强度并防止焊点疲劳失效。

 

优势特点：

 

类型	描述
高性能互连	减小互连长度，显著降低寄生电感与电容，提升信号速率与传输完整性。
优异散热能力	芯片底部可直接接触基板或通过金属凸点散热，支持高功率应用。
高集成度	支持多芯片集成（SiP）、2.5D/3D封装，适用于小型化设计。
可靠性更高	配合Underfill材料可有效缓冲热应力，增强抗震耐热能力。

 

工艺挑战：

 

类型	描述
贴装精度要求高	对准公差一般需控制在 ±10 µm 以内。
热应力管理难度大	芯片与基板材料CTE不匹配易引起焊点疲劳，应结合Underfill优化结构。
设备成本较高	Flip Chip Bonder、再流炉、Underfill点胶等设备投资较大。

 

典型应用场景：

 

应用领域	说明
高端CPU/GPU	如英特尔、AMD等的高性能芯片互连方案。
RF前端模组	包括功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）等对小型化与性能要求极高的产品。
汽车电子	功率芯片、高速通信芯片等需高可靠性与热管理能力的场景。
移动终端与可穿戴设备	对封装厚度、性能密度要求高的智能手机、智能手表等。

 

以下是对七种常见Die Attach（晶粒粘接）工艺的总结

 

工艺名称	粘接原理	典型材料	优点	局限性	典型应用
软钎焊 Die Attach （Soft Solder）	通过熔融软钎料（金属丝/焊膏）将芯片焊接到引线框架或基板上	SnPb、SnAgCu	• 工艺成熟，适合自动化	• 易产生空洞，影响可靠性	中功率半导体、LED、传感器等
			• 连接强度高	• 含铅钎料环保限制
			• 导热导电性好	• 热导率略低于共晶
共晶 Die Attach （Eutectic）	在金属界面形成共晶合金（如Au-Sn或Au-Si）连接，粘接牢固	AuSn、AuSi	• 高温稳定性好	• 金属成本高	高频/高功率器件、雷达、射频器件
			• 导热导电性能优异	• 工艺需控温精确
			• 重复性好，可靠性高
环氧 Die Attach （Epoxy）	利用环氧类导电胶水粘接芯片，后续加热固化	填银环氧、聚酰亚胺	• 工艺简单，低温固化	• 热导率较低（3~4 W/mK）	消费类电子、传感器、低功率芯片
			• 成本低	• 易受湿气老化影响
			• 可兼容多种封装结构
紫外固化 Die Attach （UV Adhesive）	利用紫外线照射使压敏胶快速固化，形成临时或永久连接	丙烯酸类 PSA 胶膜	• 固化快速	• 紫外线穿透性要求高	堆叠芯片封装、移动设备薄芯片应用
			• 低温、低应力	• 固化后热稳定性较弱
			• 适用于薄晶圆、堆叠芯片
银烧结 Die Attach （Ag Sintering）	在加热和加压下，银纳米颗粒发生烧结，形成高强度粘接层	纳米银浆	• 极高热导率（>150 W/mK）	• 设备和材料成本高	电动汽车IGBT模块、功率半导体、航天
			• 高熔点，抗蠕变	• 工艺窗口要求严格
			• 适用于高温高功率场景
热压 Die Attach （Thermocompression）	在高温高压下金属原子间扩散键合，无需焊料或胶水	金属-金属扩散对（如Au-Au）	• 无污染、无助焊剂残留	• 工艺复杂	高可靠性军工、气密封装、MEMS
			• 高可靠性	• 对金属纯度与表面处理要求高
			• 适合真空、气密封装
倒装芯片 Die Attach （Flip Chip）	芯片翻转，使用焊球/导电凸点与基板焊盘直接连接	焊球（SnAgCu）、ACF/ACP	• 互连距离短，电性能优	• 设备成本高	高端CPU/GPU、5G射频芯片、汽车电子
			• 散热路径短，热性能佳	• 需精密对位与可靠Underfill工艺
			• 支持高集成密度封装

 

#03  Die Attach的质量与可靠性

 

Die Attach的质量和可靠性是半导体器件性能稳定性和使用寿命的关键保障。高品质的粘接不仅优化芯片的热管理效率，还能显著提升结构强度和电气连接的稳定性，因此必须在制造全过程中严格评估和控制。

3.1 粘接质量评估技术

 

为确保Die Attach的高质量，业界广泛采用多种无损检测技术来识别和量化潜在缺陷：

 

X射线成像（X-ray Imaging）

 

通过X射线穿透封装层，生成内部结构图像，能够有效检测粘接层中的空洞、裂纹、脱层等缺陷。空洞区域因吸收X射线较少，在图像中表现为明显暗斑。除此之外，X射线成像还能分析粘接胶层的厚度及均匀性，帮助优化工艺参数。

 

 

超声波扫描（Ultrasonic Scanning）

利用高频声波探测粘接层内部状况。超声波在遇到缺陷（如裂纹、分层）时会产生反射，通过分析回波特征可识别出微小缺陷，尤其是X射线难以探测的局部微裂纹和分层现象。

 

 

以上无损检测方法能够在早期发现生产缺陷，及时调整工艺参数或筛选不良产品，显著提升产品良率与可靠性。

 

3.2 Die Attach常见失效模式

 

深入理解粘接层的失效机理，有助于改进材料选择和工艺设计，从根本上提高器件的可靠性：

 

空洞（Voids）

 

空洞多因气体夹带或水分未及时排出所致，形成的空洞区域阻碍热流传导，导致局部芯片过热。特别在高功率器件中，空洞面积占比超过10%时，芯片结温显著升高，寿命和性能大幅下降。空洞还会导致机械应力集中，加速界面疲劳。

 

脱层（Delamination）

 

指粘接界面或胶层内部层与层之间发生分离，通常由于不同材料的热膨胀系数（CTE）差异较大，引发热循环中的机械应力过载。举例来说，硅芯片CTE约为2.6 ppm/°C，引线框架CTE约为7 ppm/°C，而环氧粘接材料CTE可高达23 ppm/°C，这种不匹配容易造成界面分离，严重时导致电气性能和散热功能失效。

 

 

开裂（Cracking）

多由热应力、机械冲击或长期疲劳引起。裂纹可穿透粘接层，降低热和电性能，甚至导致芯片断裂失效。研究表明，仅5微米宽度的微裂纹即可显著影响整体性能，尤其在高频和高功率应用中风险更大。

 

Die Attach质量的优劣直接影响芯片的热管理效率和机械完整性，进而决定整个半导体器件的性能和寿命。通过先进的无损检测技术对粘接层缺陷进行早期发现与控制，以及针对常见失效模式的深入理解和预防，半导体制造商能够大幅提升产品的稳定性和可靠性，满足日益复杂多变的应用需求。

 

#03  总 结

Die Attach虽是半导体封装工艺中的 “幕后英雄” ，却是芯片性能和可靠性的基石。选择合适的粘接材料与工艺，不仅保障芯片结构稳定，更确保电子产品安全高效运行。未来，随着材料科学和制造技术的进步，Die Attach工艺将继续推动半导体产业向更高峰迈进。