本帖最后由 天工静电 于 2025-10-13 09:56 编辑
在集成电路产业中，我们常说“芯片设计是大脑，制造是心脏，而封装则是骨骼与皮肤”。封装为内部脆弱芯片提供保护、供电、散热，并与外部电路建立电气连接和机械支撑的“铠甲”与“桥梁”。然而，在这个精密的“穿衣”过程中，一个看不见的杀手——静电放电（ESD）——始终如影随形。 1970s-1980s，以双列直插封装（DIP） 为代表，通过引线框架连接，采用穿孔式安装。结构简单，但密度低，频率特性差；1980s-1990s，小外形封装（SOP）、四侧引脚扁平封装（QFP） 成为主流；1990s-2000s， 球栅阵列封装（BGA） 是革命性的进步。它将引脚从封装体四周变为底部的焊球阵列，极大地增加了I/O数量，并改善了电气性能；2000s-至今，封装的角色从“保护”转变为“性能增强”。晶圆级封装（WLP）、扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLP）、2.5D/3D封装 等技术成为前沿，它实现了超短互联、超高密度和异质集成。 图1：芯片与中介层/基板的协同设计图 ESD失效的根本原理是瞬间的高压（数百至数千伏）和强电流在极短时间内（纳秒级）通过芯片内部电路，造成介质击穿（栅氧层烧毁）或热损伤（金属互连线熔断）。在封装厂（Assembly House）的各个环节，如晶圆减薄、切割、拾放、引线键合、塑封、测试等，芯片都会存在多种ESD威胁，封装形式越先进，其ESD风险往往越复杂。 在QFP/BGA等引线键合类封装中，键合机的陶瓷吸嘴、环氧树脂底座等在高速运动中与材料摩擦会产生大量静电荷。当带有静电的吸嘴或夹具接近芯片的焊盘（Bond Pad）时，可能发生带电模型（CDM）ESD事件。在WLP/Fan-Out等晶圆级和重布线层封装中，在封装前的整个晶圆处理过程中，晶圆背面与塑料载具或金属导轨的摩擦会产生静电荷。由于WLP的I/O焊球（Solder Ball）直接通过再分布层（RDL）与芯片相连，整个晶圆表面都成为ESD敏感点，充电器件模型（CDM）风险极高，这是WLP封装面临的最大ESD挑战，晶圆本身可能成为一个巨大的充电载体。在2.5D/3D封装与SiP中，SiP将多个来自不同供应商的芯片集成在一起。一颗芯片可能在封装前已遭受潜在的ESD损伤（“暗伤”）。 图2：CDM模式的局部静电放电 应对封装过程中的ESD风险，需要一个系统性的“设计-工艺-管理”综合方案。在芯片设计端，需要针对HBM和CDM的不同特性，设计鲁棒性高、响应速度快、且不影响芯片性能（如不增加过多电容）的集成高效的片上ESD保护电路（如GGNMOS、SCR、二极管等）。在封装工艺与环境端，封装厂必须建立符合ANSI/ESD S20.20标准的体系，全面实施ESD防护项目（ESDP）。 图3：片上器件与片外器件协同设计的基本原则 IC封装的演进，在带来性能飞跃的同时，也使得ESD防护的战场从二维走向三维，从外部走向内部。对于封装厂和芯片设计公司而言，理解不同封装技术下独特的ESD风险机理，是制定有效ESD防护策略的前提。通过在芯片设计源头植入鲁棒的保护方案，并在封装制程中执行严格的ESD控制体系，才能让这个“看不见的杀手”无处遁形。
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