|
璀璨电子世界：传统封装与先进封装的魅力对比半导体器件的封装形式种类繁多，根据外形、尺寸和结构可以分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三大类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA一直到CSP，再到SIP，随着技术的不断进步，封装形式的技术指标也在不断提高。 总体而言，半导体封装经历了三次重大革新。第一次是在20世纪80年代，从引脚插入式封装向表面贴片封装的转变，这一转变极大地提高了印刷电路板上的组装密度。第二次是在20世纪90年代，球型矩阵封装的出现满足了市场对高引脚数量的需求，同时也改善了半导体器件的性能。而芯片级封装、系统封装等则是第三次革新的产物，其目标是将封装面积减到最小。 随着半导体产品由二维向三维发展，出现了诸如系统级封装（SiP）等新的封装方式，以及倒装（FlipChip）、凸块（Bumping）、晶圆级封装（Waferlevelpackage）、2.5D封装（Interposer，RDL等）、3D封装（TSV）等先进封装技术。这些新技术的出现和应用推动着半导体行业的不断创新和发展。
传统封装与先进封装技术的演进可以追溯到最初的三极管直插时代。传统封装通常包括以下步骤：首先，将晶圆切割成晶粒（Die），然后将晶粒贴合到相应的基板架的小岛（Leadframe Pad）上，接着利用导线将晶片的接合焊盘与基板的引脚相连接（Wire Bonding），实现电气连接，最后通过外壳加以保护（Molding，或Encapsulation）。典型的传统封装方式包括DIP、SOP、TSOP、QFP等。 随着技术的进步，先进封装技术涉及倒装（FlipChip）、凸块（Bumping）、晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP）、2.5D封装（Interposer，RDL等）、3D封装（Through-Silicon Via，TSV）等。初期，先进封装的选择有限，主要包括WLP、2.5D封装和3D封装。然而，近年来，先进封装领域的发展迅速，出现了许多新技术和新方向。 在这个过程中，每个公司开发的相关技术都会被独立命名并注册商标，例如台积电的InFO和CoWoS、日月光的FoCoS、Amkor的SLIM和SWIFT等。尽管许多先进封装技术在本质上可能存在微小差异，但大量的新名词和商标的注册导致了行业中出现了许多不同类型的先进封装技术。这些新技术的诞生往往是由客户需求的个性化驱动。 先进封装优势 先进封装提高加工效率，提高设计效率，减少设计成本 先进封装技术主要涵盖了倒装类（FlipChip、Bumping）、晶圆级封装（WLCSP、FOWLP、PLP）、2.5D封装（Interposer）和3D封装（TSV）等几种形式。以晶圆级封装为例，产品的生产以圆片形式进行批量生产，可以充分利用现有的晶圆制备设备，同时封装设计可以与芯片设计一同进行，这样可以缩短设计和生产周期，并且降低成本。 先进封装提高封装效率，降低产品成本 在后摩尔定律时代，先进封装技术的出现提高了封装效率，降低了产品成本。随着技术的进步，传统封装已经不能满足需求。传统封装的封装效率（裸芯面积与基板面积之比）较低，有很大的改进空间。在芯片制程受到限制的情况下，改进封装是另一种解决方案。以QFP封装为例，其封装效率最高为30%，因此有70%的面积被浪费。而DIP、BGA等封装形式的面积浪费更为严重。 先进封装以更高效率、更低成本、更好性能为驱动 Flip-Chip & Bumping Flip-Chip技术的优势主要体现在以下几个方面：小尺寸、功能增强（增加I/O数量）、性能增强（互联距离缩短）、提高可靠性（倒装芯片可减少2/3的互联引脚数），以及提高散热能力（芯片背面可以有效进行冷却）。 倒装芯片晶体贴装技术
FlipChip的关键一步是Bumping，可以通过在晶圆上制作外延材料来实现。 FlipChip技术的关键步骤之一是Bumping，而在晶圆制造过程中，可以通过制作外延材料来实现这一步骤。 一旦芯片制造工序完成，就会制备UBM（Underbump metallization）触垫，用于连接芯片和电路。Bump会被沉积在这些触点之上。焊锡球（Solderball）是最常见的Bumping材料，但根据不同的需求，金、银、铜、钴也是不错的选择。针对高密度互联和细间距应用，铜柱是一种新型材料。与焊锡球不同，铜柱在连接时不会发生扩散变形，能够保持其原始形态，这也是铜柱可用于更密集封装的原因之一。 FlipChip产品对应不同bumping类型增长速度不一。 根据Yole的预测，采用倒装芯片技术的集成电路出货量将保持稳定增长。预计产能将以9.8%的复合年增长率扩张，从2014年的约1600万片12寸晶圆增长到2020年的2800万片。这种增长趋势主要受到终端应用的影响，其中包括计算类芯片，如台式机和笔记本电脑的CPU、GPU和芯片组应用等。值得注意的是，不同类型的Bumping可能会导致FlipChip产品的增长速度有所不同。 其中镀金晶圆凸点（Au-platedwaferbumping）将稳定增长 预计镀金晶圆凸点（Au-plated wafer bumping）将会保持稳定增长，这主要受到IC显示驱动器市场的推动，包括4K2K超高清电视、高清晰度、大屏幕平板电脑和智能手机等产品的需求增长。根据预测，产能将以4%的复合年增长率扩大，从2014年的430万片增长到2020年的540万片。 金钉头凸点（Austudbumping）产能将略有下滑 金钉头凸点（Austud bumping）的产能预计将略有下滑，从2014年的30.4万片降至2020年的29.3万片。这主要是因为射频器件从倒装芯片转移到晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）。然而，新兴应用的需求将增加，例如CMOS图像传感器模组和高亮度LED等产品的需求增长，这可能对市场产生积极影响。 中道封装技术需求增长，将带来行业上下游的跨界竞争。 中道封装技术的需求增长将引发行业上下游的跨界竞争。针对3DIC和2.5D中介层平台的“中端工艺（middle-end process）”基础设施的出现将使Fab和IDM受益，并在较小程度上分给OSAT。2.5D中介层平台的发展将会导致价值的转移，从衬底供应商转向前端代工厂。 2.5D封装：RDL&中介层 2.5D封装技术涉及到两个关键概念：再分布层（RDL，Redistribution Layer）和中介层（Interposer）。再分布层（RDL）：再分布层是在晶圆水平上进行触点再分布的一种技术。它能够高效地重新规划连线路径，实现更高的触点密度。再分布层的工艺包括在原始晶圆表面上添加一层或多层电介质来隔离，在露出原有触点的基础上，再沉积新的金属层以实现重新布线。通常会使用UBM（Under Bump Metallization）来支撑焊锡球或其他连接材料的接触。 中间层（Interposer）示意
3D封装：TSV，PoP和MEMS TSV（Through-Silicon Via，硅通孔）是3D封装技术的关键之一，它的应用范围涵盖了诸如PoP（Package on Package，封装在封装）、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）等领域。 1.TSV的作用：TSV的主要作用是在芯片堆叠过程中实现芯片间的垂直电气连接。通过在芯片内部穿孔并填充导电材料，TSV可以有效地连接不同芯片层之间的电路，从而实现芯片之间的高速、高密度数据传输和通信。相比传统的引线键合技术，TSV技术能够提供更短的连接路径，降低功耗并提高带宽。 2.应用领域：TSV技术最初在CMOS图像传感器等领域得到应用，但随着技术的发展，它在FPGA（Field Programmable Gate Array，可编程门阵列）、存储器、传感器等领域也开始得到广泛应用。据预测，未来几年内，应用TSV技术的晶圆数量将持续增长，特别是在3D存储芯片封装领域，TSV技术将成为主流。 总体而言，TSV技术的发展为半导体行业带来了更高效的芯片堆叠和互联方案，为未来多种领域的技术创新和应用提供了更为灵活和可靠的解决方案。 3DIC和TSV技术演进路径
TSV技术示意图
传统的PoP是基于基板的堆叠，但随着存储器对高带宽的需求不断增加，对球间间隔的要求也更为苛刻。因此，未来的发展方向是将PoP技术与FOWLP（Fan-Out Wafer Level Packaging，晶圆级外扩封装）技术相结合，实现基于芯片的堆叠，进一步提升器件的性能和集成度。 MEMS封装（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统封装）在近些年应用越来越广泛，特别是随着传感器和物联网应用的大规模推广。MEMS封装不同于集成电路封装，分为芯片级、模组级、卡级、板级、门级等多个垂直分级封装。在设计时，需要考虑不同模组之间的相互影响。 MEMS封装技术示意图
在整个MEMS生态系统中，MEMS封装的发展正在迅速加速，晶圆级和3D集成正变得越来越重要。主要的趋势之一是针对低温晶圆键合等单芯片集成，开发出与CMOS兼容的MEMS制造工艺。另一个新的趋势是将裸片叠层技术应用于低成本的无铅半导体封装，这种技术可以为量产带来更低的成本和更小的引脚封装。然而，MEMS器件的CMOS和3D集成也给建模、测试和可靠性带来了挑战。 FIWLP&FOWLP，PLP 首先要提及晶圆级封装（Wafer-level packaging，WLP）的概念。在传统封装方法中，晶圆先被切割成小的晶粒，然后再进行连接和封装。而晶圆级封装的工序恰好相反，它将晶粒在被切割前完成封装，保护层会附着在晶圆的正面或背面，电路连接在切割之前已经完成。
然而，PLP技术也面临着一些挑战。由于其对光刻和对准工艺的高要求，PLP的实施需要更高水平的制程技术和精密设备。特别是在对准方面，需要确保芯片能够准确地定位在面板上，这需要高度的精度和可靠性。 |
