什么是半導體封裝，目前先進封裝技術走到了哪一步？

發布時間 | 2024-09-05 17:42 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 966

導讀：目前，先進封裝技術仍處在發展的過程中，它需要面臨晶圓翹曲、封裝散熱、電遷移以及疲勞失效等多方面的挑戰。作為AI芯片的關鍵技術，先進封裝技術的國產替代化是我們的必經之路，也是預防被西方...

半導體封裝在芯片前道工藝技術節點改進有限的情況下，可以通過對芯片間的互連優化，使芯片系統尺度實現算力、功耗和集成度等性能指標方面的躍升，因此也被視為突破傳統摩爾定律的一大關鍵技術方向。隨著眾多應用場景對高算力、高帶寬、低延遲、低功耗、更大內存等特性提出更高要求，系統集成中扮演重要角色的先進封裝技術也迎來前所未有的發展機遇。據市場調研機構YOLE數據顯示，2022年先進封裝市場的總營收預計為443億美元，預計到2028年將達到786億美元，年復合增長率達到10%。本文就來介紹下半導體封裝以及目前市面上主要的幾種先進封裝技術。

電子封裝電氣作業示意圖（圖源：文獻1）

一、什么是封裝技術

半導體的產業鏈可分為半導體設計、晶圓制造、封裝測試、設備和材料四大環節。相較其他環節，封裝測試環節的行業進入門檻較低，是我國集成電路國產產業化率最高的環節。封裝測試環節中，封裝環節的價值占比在80-85%，測試環節價值占比在15-20%。封裝技術主要是指安裝集成電路芯片外殼的過程，包括將制備合格的芯片、元件等裝配到載體上，采用適當的連接技術形成電氣連接，安裝外殼，構成有效組件的整個過程。其主要目的是為了保護芯片，減少外部環境對器件電氣性能、熱性能和機械性能的影響，將裸芯片轉變為電路板上可使用的封裝組件。封裝技術主要包含芯片切割、貼片工藝、焊接鍵合技術、塑封工藝、后固化工藝、測試工藝及打標工藝，每個環節都需要核定載體，確保在引線框架結構之內，通過粘合劑和焊接的方式完成。

封裝工藝流程圖（圖源：文獻1）

二、封裝技術發展史

封裝技術的發展史大致分為三個階段：第一階段（1970年以前）是元件插裝時代，主要采用通孔插裝型封裝。代表的封裝形式有晶體管封裝（TO）、雙列直插封裝（DIP）等技術，電子元件被手工插入電路板的孔中，尺寸較大且制造過程相對簡單；第二階段（1970—1990年）是表面貼裝時代，主要采用塑料有引線片式載體封裝（PLCC）、塑料四邊引線扁平封裝（PQFP）、小外形封裝（SOP）等技術，元件開始直接貼裝在印刷電路板表面，從而實現更緊湊的設計；第三階段（1990—至今）是面積陣列封裝時代，主要采用焊球陣列封裝（BGA）、晶圓級封裝（WLP）、多芯片組封裝（MCM）、系統級封裝（SIP）、三維立體封裝（3D）等技術，這些封裝技術進一步提高了芯片的集成度和性能，同時增強了電路板對熱應力和機械應力的抵抗能力。前面兩個階段被稱為傳統封裝，其主要通過焊線連接芯片和引線框架，引線框架再連接到PCB上，實現芯片保護、尺度放大、電氣連接三項功能；第三階段開始稱為先進封裝，它主要采用鍵合互連并利用封裝基板來實現封裝，其封裝技術的種類比較繁多，通過對芯片進行封裝級重構，以有效的提升系統性能。

三、常見的幾種先進封裝技術

1.焊球陣列封裝（BGA）

BGA，又稱焊球陣列封裝，是目前微電子封裝中使用最多的技術之一。它誕生于上世紀90年代，技術成熟度較高，主要是將I/O端與基板通過球柱形焊點陣列進行封裝，通常作為表面固定來使用。在封裝的過程中，使用焊球代替引線，引出路徑較短，減少了引腳的延遲。焊球在電子板上是平面排列的，在面積相同的情況下，使用BGA封裝技術封裝的微電子元件引腳的數量更多，封裝的密度更加高。除此之外，BGA封裝技術與微電子封裝設備和安裝工藝之間具有較強的適應性，有效的提升了封裝技術的可靠性，避免微電子在封裝的過程中出現引線變形的現象，組裝效率相較其他技術有很大的提高。

PBGA內部結構示意圖（圖源：文獻4）

2.晶圓級封裝（WLP）

晶圓級芯片封裝是在晶圓上通過薄膜、光刻、電鍍、干濕法刻蝕等工藝來完成封裝和測試，最后進行切割制造出單個封裝成品的一種集成電路封裝技術。在工藝流程中，芯片晶圓和封裝襯底是通過鍵合方式進行密封結合的，信號線與地線會分別從器件晶圓引出，在封裝完成后再對晶圓進行測試、切割。因為它的封裝是在整個晶圓上進行的，而不是在單個芯片上，可以有效減少封裝尺寸、提高集成化程度和生產效率，不會有引出端橫向伸展出芯片之外，其封裝所占印制板面積等于管芯面積，封裝比例等于或接近于1，封裝厚度薄、質量小、體積小，引出端引線短，可以有效提高整機的封裝密度，電磁兼容性和電熱性能較好，產品的可靠性更高。

WLP結構示意圖（圖源：文獻5）

3.系統級封裝（SIP）

SIP是將多個不同功能的芯片和組件封裝在同一個塑封體中，以形成一個完整的系統，適用于需要多種功能的復雜應用，它是處在芯片與整機系統間的功能器件的封裝。它能夠在不增加芯片尺寸的情況下，提高集成度、減小體積，減少電路板（PCB）對外圍器件的依賴，為設備提供更高的性能與更低的能耗，具有良好的抗機械和化學腐蝕的能力以及高可靠性。目前3DNAND應用中的ManagedNAND、eMCP產品已開始廣泛應用，即將堆疊的NAND芯片、倒裝或使用細金屬線連接的控制芯片以及電容電阻互連在一個封裝體中，以實現系統集成。同時可以根據產品需求的不同，增加芯片的數量、種類，以實現異構、異質集成，減少封裝體積，降低系統成本。SIP技術常用于移動通訊、數碼家電、汽車電子等領域。

SIP封裝結構圖（圖源：文獻2）

*NAND閃存：是一種常見的非易失性存儲技術，它允許數據在單個晶體管中存儲，可以快速的讀取和寫入數據，在斷電的情況下也可以保持數據，具有較高的存儲密度。

*eMCP（嵌入式多芯片封裝）是一種先進的存儲技術，專為空間受限的移動設備、物聯網設備和嵌入式應用而設計。

4.三維立體封裝（3D）

3D封裝技術也稱為三維封裝，主要通過將多個芯片垂直堆疊，利用TSV、硅中介層、微凸點等技術實現層間互連，以顯著提高集成度和性能。3D封裝技術主要包括埋置型3D封裝、WSI以及疊層3D封裝。埋置型3D封裝是將需要進行封裝的各種元件埋置在基板或布線介質層中，再對對頂層進行貼裝，從而完成封裝工作。WSI，又稱硅圓片規模集成封裝，是先進行硅圓片集成，再在源基板上進行多層布線，最后進行頂層貼裝，完成封裝工作。疊層3D封裝是在傳統的2D封裝基礎上，通過疊層的方式對芯片、圓片進行封裝。目前，疊層3D封裝因其對2D封裝技術具有更好的兼容性，相較其他3D封裝技術發展更為迅速。3D封裝技術在相同或更小的空間內，可以封裝更多的芯片，以實現更高密度的封裝。3D封裝技術信號路徑的增多和縮短，使得芯片間的通信速度大幅度提升，功耗有效降低，電性能和熱性能較為突出，封裝的可靠性更高。