技术前沿：显示驱动芯片封装——从凸块制造到COGCOF

近年来借助着巨大的市场需求、丰富的人口红利、稳定的经济增长以及积极的产业政策扶持等优势，中国大陆集成电路产业实现了飞跃式的发展，增速远高于全球集成电路行业的增长水平，目前中国大陆在全球集成电路市场占据举足轻重的地位。我国作为发展中国家，相对于旺盛的消费需求，集成电路产量规模还相对较小。根据国家统计局数据，2020年中国大陆集成电路的产量为2,614.70亿块，同比增长29.56%。根据海关总署统计，2020年中国大陆进口集成电路5,435.00亿块，同比增长22.10%，我国集成电路的进口替代空间十分广阔。

显示驱动芯片是显示面板成像系统的重要组成部分之一，芯片集成了电阻、调节器、比较器和功率晶体管等部件，控制着显示面板的发光线性度、功率、电磁兼容等关键因素，从而保证显示画面的均匀性和稳定性。显示面板由百万级或千万级的像素组成，单颗显示驱动芯片可以控制众多像素，通常小尺寸面板仅需要一颗显示驱动芯片即可控制所有像素，大尺寸面板则需要十几至几十颗显示驱动芯片，因此显示驱动芯片的引脚众多且排列紧密，对封装测试的技术要求也更高。

凸块制造技术使得传统封装的线连接变成了点连接，显著提高了引脚密度。在封装环节，目前主要采用玻璃覆晶封装（COG）和薄膜覆晶封装（COF）技术，玻璃覆晶封装减小了模组体积、良品率高、成本低且易于量产；薄膜覆晶封装可以为屏幕区域预留出更大的空间，在高清大屏或全面屏趋势下薄膜覆晶封装的应用比例逐步提高。

目前常见的显示驱动芯片包括LCD驱动芯片和OLED驱动芯片。LCD驱动芯片通过接收控制芯片输出的指令，决定施加何种程度的电压到每个像素的晶体管，从而改变液晶分子排列/扭转程度，由每个像素的透光率高低实现色彩变化，进而构成显示画面。OLED驱动芯片通过向OLED单元背后的薄膜晶体管发送指令，控制OLED子像素的亮度进而发出不同颜色的光。

显示驱动芯片产业链

在显示驱动芯片产业链中，一般由显示面板企业向芯片设计公司提出设计需求，芯片设计公司在完成设计后分别向晶圆制造代工厂和封装测试企业下订单，晶圆制造企业将制造好的晶圆成品交由封装测试企业，最后封测企业在完成凸块制造、封装测试环节后，直接将芯片成品发货至显示面板或模组厂商进行组装。

显示驱动芯片的封装测试服务主要包括：

显示驱动芯片的封装成型需要经过多道工序的协同配合。首先，对客供晶圆进行微观检测，观察其是否存在产品缺陷；对于检验合格的晶圆，在其表面制作金凸块作为芯片接合的基础；其后，对晶圆上的每个晶粒用探针进行接触，测试其电气特性，对不合格的晶粒进行墨点标识；接着，将晶圆研磨至客户需要的厚度再进行切割，仅将合格的芯片挑拣出来；最后，客户要求在玻璃基板上进行接合的则在完成切割、挑拣后包装出库（COG），由面板或模组厂商负责芯片与玻璃基板的接合；客户要求在卷带上进行接合的则需要先将芯片内引脚与卷带接合并涂胶烘烤牢固，进行芯片成品测试后再包装出库（COF）。在整道生产流程中还包含多次的人工目检以及光学自动检测，以保障产品的质量。

金凸块制造（GoldBumping）

金凸块制造是晶圆入料检查完成后的首道工序，制造出的金凸块是后续引脚接合的基础，制作过程复杂，其中主要步骤的工艺流程图如下：

具体过程如下：

（1）清洗：用去离子水清洗入料检验合格的晶圆，去除表面杂质。

（2）溅镀：用高速离子对金属靶材进行轰击，将钛钨金靶材溅射至硅片表面，形成凸块底部金属层。

（3）上光刻胶、曝光、显影：涂布光刻胶，并透过光掩膜板对涂胶的硅片进行曝光，使光刻胶发生化学反应，再将其浸入显影液中则只有部分会溶解，从而得以在光刻胶上对凸块的位置开窗。

（4）电镀：将晶圆浸入电镀液中，通电后电镀液中的金属离子，在电位差的作用下将移动到开窗部位形成金凸块。

（5）去光刻胶、蚀刻：去除光刻胶，并通过蚀刻精准去除金凸块周围的金层和钛钨层，金凸块则制作完成。

（6）良品测试：对晶圆表面金凸块的各项测量规格如高度、长宽尺寸、硬度、表面粗糙度、剪应力等进行良品测试后则可进入晶圆测试制程。

晶圆测试（CP）

晶圆测试是指用探针与晶圆上的每个晶粒接触进行电气连接以检测其电气特性，对于检测不合格的晶粒用点墨进行标识，通过点墨标识一方面可以直接计算出晶圆的良率，另一方面可以减少后续工序的工作量，提高封装的效率，有效降低整体封装的成本。该工序主要通过测试设备与探针台协同完成。

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进行接合的先进封装技术，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结合。公司的玻璃覆晶封装制程主要包括研磨、切割和挑拣等环节，主要步骤的工艺流程图如下：

具体过程如下：

（1）覆保护膜：将胶膜覆于晶圆正面，胶膜可以在研磨过程中保护晶圆表面免受损伤与污染。

（2）背面研磨：将晶圆背面朝上进行研磨，研磨至客户要求的厚度。

（3）去膜、切割：去掉保护胶膜后，将晶圆箍于铁框内，用钻石刀片将晶圆切割成相应规格的芯片，切割后再次观测其是否存在碎裂、裂痕、刮伤、金属翘起等缺陷。

（4）UV照射清洗：UV照射清除表面有机污染物，减弱胶层强度以便后续挑拣。

（5）挑拣放置、最终目检：将切割好的清洁的芯片挑拣放置于盛载盘上，最终通过显微镜进一步目检。

薄膜覆晶封装（COF）

薄膜覆晶封装与玻璃覆晶封装的工艺差别在于与芯片直接接合的基板不同，以及薄膜覆晶封装需进行芯片成品测试。玻璃覆晶封装是将芯片引脚直接与玻璃基板接合，故只需切割成型，后续引脚接合由面板或模组厂商负责，而薄膜覆晶封装的软性电路基板（卷带）上通常会设计输入端和输出端引脚，需要公司先将芯片的金凸块与卷带上的内引脚接合，之后由面板或模组厂商将外引脚与玻璃基板接合，如下图所示：

薄膜覆晶封装主要步骤的工艺流程图如下

具体过程如下：

（1）覆保护膜：将胶膜覆于晶圆正面，胶膜可以在研磨过程中保护晶圆表面免受损伤与污染。

（2）背面研磨：将晶圆背面朝上进行研磨，研磨至客户要求的厚度。

（3）去膜、切割：去掉保护胶膜后，将晶圆箍于铁框内，用钻石刀片将晶圆切割成相应规格的芯片，切割后再次观测其是否存在碎裂、裂痕、刮伤、金属翘起等缺陷。

（4）UV照射清洗：UV照射清除表面有机污染物，减弱胶层强度以便后续挑拣。

（5）挑拣、内引脚接合：将切割好的清洁的芯片挑拣出来把芯片上的金凸块与卷带的内引脚进行接合。

（6）底部填胶、烘烤加固：对准芯片周边底部进行填胶粘合，再置于烘烤设备中烘烤牢固。

（7）镭射刻印：公司会对加工好的芯片镭射刻印编号，便于后续追溯到产品。

（8）成品测试、光学自动检测及包装出库：利用检测设备进行芯片成品测试，检验其电气性、微观结构等，以及外观检测其是否存在缺陷，检验合格则可整卷包装出库。

集成电路封装测试行业的基本情况

集成电路制造产业链主要包括芯片设计、晶圆制造、封装测试三个子行业，封装测试行业位于产业链的中下游，该业务实质上包括了封装和测试两个环节，但由于测试环节一般也主要由封装厂商完成，因而一般统称为封装测试业。

封装是将芯片在基板上布局、固定及连接，并用绝缘介质封装形成电子产品的过程，目的是保护芯片免受损伤，保证芯片的散热性能，以及实现电信号的传输。经过封装的芯片可以在更高的温度环境下工作，抵御物理损害与化学腐蚀，带来更佳的性能表现与耐用度，同时也更便于运输和安装。

测试则包括进入封装前的晶圆测试以及封装完成后的成品测试，晶圆测试主要检验的是每个晶粒的电性，成品测试主要检验的是产品电性和功能，目的是在于将有结构缺陷以及功能、性能不符合要求的芯片筛选出来，是节约成本、验证设计、监控生产、保证质量、分析失效以及指导应用的重要手段。

封装测试业是我国集成电路行业中发展最为成熟的细分行业，在世界上拥有较强竞争力，全球的封装测试产业正在向中国大陆转移。根据中国半导体行业协会统计数据，目前国内的集成电路产业结构中芯片设计、晶圆制造、封装测试的销售规模大约呈4：3：3的比例，产业结构的均衡有利于形成集成电路行业的内循环，随着上游芯片设计产业的加快发展，也能够推进处于产业链下游的封装测试行业的发展。

目前，全球封装行业的主流技术处于以CSP、BGA为主的第三阶段，并向以倒装封装（FC）、凸块制造（Bumping）、系统级封装（SiP）、系统级单芯片封装（SoC）、晶圆级系统封装-硅通孔（TSV）为代表的第四阶段和第五阶段封装技术迈进。

显示驱动芯片属于数/模混合集成电路，其电信号经由芯片与基板的键合点、基板上的金属线路而到达被控制的像素点。随着对显示分辨率的要求越来越高，显示驱动芯片的I/O端口数越来越多，如此大规模的输入输出对芯片封装技术的要求很高，并且随着电子产品以轻薄短小为发展趋势，要求显示驱动芯片的体积进一步缩小，集成度进一步提高。

凸块制造工艺结合玻璃覆晶封装（COG）或薄膜覆晶封装（COF）凭借其多I/O、高密度等特点，已经成为显示驱动芯片封装技术的主流，且其采用倒装芯片结构，无须焊线。玻璃覆晶封装主要用于小尺寸面板产品如手机、数码相机、平板电脑等，而薄膜覆晶封装将芯片封装在可弯曲的柔性基板上，故占用面积更小，主要应用于大尺寸面板产品如电视、电脑显示器等以及对边框要求更高的全面屏手机。

凸块制造（Bumping）在先进封测技术中的重要性

①凸块制造的概念

凸块制造是一种新型的芯片与基板间电气互联的方式，这种技术通过在晶圆上制作金属凸块实现。具体工艺流程为：晶圆在晶圆代工厂完成基体电路后，由封测代工厂在切割之前进行加工，利用薄膜制程、黄光、化学镀制程技术及电镀、印刷技术、蚀刻制程，在芯片的焊垫上制作金属焊球或凸块。相比传统的打线技术向四周辐射的金属“线连接”，凸块制造技术反映了以“以点代线”的发展趋势，可以大幅缩小芯片体积，具有密度大、低感应、低成本、散热能力优良等优点；且凸块阵列在芯片表面，引脚密度可以被做得极高，便于满足芯片性能提升的需求。此外，凸块的选材、构造、尺寸设计会受多种因素影响，例如封装大小、成本、散热等性能。

②凸块制造技术的起源

凸块制造技术起源于20世纪60年代。上世纪60年代，IBM公司开发了倒装芯片技术，第一代倒装芯片为具有三个端口的晶体管产品。随着电子器件体积的不断减小以及I/O密度的不断增加，20世纪70年代，IBM公司将倒装芯片技术发展为应用在集成电路中的C4技术，C4技术通过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焊球可以满足具有更细密焊盘的芯片的倒装焊要求。此后凸块制造技术进一步发展，利用熔融凸块表面张力以支撑晶片的重量及控制凸块的高度。

IBM公司开发出的初代凸块制造技术奠定了凸块制造技术的底层工艺，并就该技术申请了发明专利。IBM公司通过高铅焊料蒸镀工艺进行凸块加工，使用高温/低温共烧陶瓷载板（基板）进行互联，受该工艺方案限制，当时凸块间距较大（>250μm）、焊接温度过高（>300℃），且生产成本高居不下，极大限制了凸块制造技术的推广和应用。

③凸块制造技术的发展

随着集成电路行业的发展，新的凸块制造工艺打破了初代技术的困局，其发展阶段与集成电路行业的两次重大产业转移以及显示面板产业的发展密切相关。

集成电路行业的第一次产业转移在1970-1980年代由美国至日本：美国作为集成电路的发源地，20世纪70年代间，前10大集成电路制造商几乎均来自美国。日本在美国技术支持与本国政策与资金支持下，依托家电和工业级计算机产业繁荣发展实现反超，在20世纪80年代末，前10大集成电路制造商中有一半以上来自日本。与此同时，日本本土对面板智能化、轻薄化的需求增加，随之涌现大批日本封测技术厂商，凸块制造技术在这期间得到较大发展。

第二次集成电路行业产业转移在20世纪80年代-21世纪初，由日本至韩国、中国台湾：凭借低廉人工成本及大量高素质人才，韩国顺应消费级PC的趋势快速发展，而中国台湾在晶圆代工厂、芯片封测领域的垂直分工下出现市场机会，韩国与中国台湾迅速取代日本在集成电路产业大部分的市场份额。面板产业亦转移至韩国与中国台湾，凸块制造技术在产业化及转移的过程中随着终端应用的需求不断被优化，溅射凸块底部金属工艺和电镀凸块工艺取代了原先成本高昂的蒸镀技术方案，并将凸块间距缩小至200μm以下，原材料亦出现多元化，生产良率不断上升。

2010年以来，全球集成电路产业与显示面板产业向中国大陆转移的趋势增强。随着集成电路晶圆制程技术从2000年左右的300nm发展到目前的7nm，凸块间距也发展到100μm以下的极细间距领域，单芯片上的金属凸块超过1,500个，需要每个凸块都同基板上的线路形成良好电气接触，高密度细间距凸块布局对封测企业的凸块制造技术提出了极高要求。目前凸块制造技术底层工艺专利已成为公开技术，国内外同行业公司凸块制造技术均在原有凸块制造底层工艺上进行各个环节的技术创新，以达到终端应用发展的需求。④凸块制造技术是先进封装技术发展与演变的重要基础

随着集成电路行业技术的进步与终端电子产品需求的提高，凸块制造技术也不断突破技术瓶颈、实现大规模产业化，并发展成为关键的高端先进封装技术之一。凸块制造技术的重要性在于它是各类先进封装技术得以实现进一步发展演化的基础。倒装芯片（FC）技术、扇出型（Fan-out）封装技术、扇进型（Fan-in）封装技术、芯片级封装（CSP）、三维立体封装（3D）、系统级封装（SiP）等先进封装结构与工艺实现的关键技术均涉及凸块制造技术。硅通孔技术（TSV）、晶圆级封装（WLP）、微电子机械系统封装（MEMS）等先进封装结构与工艺均是凸块制造技术的演化延伸。

显示驱动芯片行业主要下游市场发展情况

根据Frost&Sullivan统计，随着终端需求的增加，全球显示面板市场规模从2016年的1.88亿平方米增长至2020年的2.42亿平方米，年复合增长率为6.53%。随着技术的成熟发展和下游需求的增长，预计全球显示面板的出货量将从2021年的约2.54亿平方米增长至2025年的约2.79亿平方米。

随着电视面板分辨率的提升，每台电视所需显示驱动芯片颗数几乎成倍增加。每台高清、全高清或2K电视仅需4-6颗显示驱动芯片，但每台4K电视需使用10-12颗显示驱动芯片，而每台8K电视使用的显示驱动芯片高达20颗。

全球显示驱动芯片出货量从2016年的123.91亿颗增长至2020年的165.40亿颗，年复合增长率为7.49%。预计未来将持续增长，到2025年出货量增至233.20亿颗。LCD面板出货量稳步增长，带动LCD驱动芯片出货量逐步提升。2020年，全球LCD驱动芯片出货量为151.40亿颗，预计未来将继续稳定在高出货量水平，到2025年增至208.70亿颗。得益于OLED屏幕的高速增长，OLED驱动芯片出货量亦快速增长，预计到2025年将增至24.50亿颗，未来五年复合增长率达13.24%。

(来源：新汇成微电子)