我國芯片封裝現(xiàn)狀

我國的半導(dǎo)體芯片封裝產(chǎn)業(yè)起步晚，與國際先進(jìn)水平仍有很大差距，是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中較為薄弱且急需發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

封裝產(chǎn)業(yè)的重要支撐包括各種類的封裝材料及技術(shù)，各制程的關(guān)鍵工藝、設(shè)備和技術(shù)。從現(xiàn)階段國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，各制造領(lǐng)域的芯片封裝材料主要表現(xiàn)為部分非核心材料可實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，但關(guān)鍵材料特別是鍍層材料及光刻膠等多為國外壟斷，且存在發(fā)展配套不齊，材料的純度、精細(xì)度和質(zhì)量穩(wěn)定性不足等問題。

各制程環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工藝主要表現(xiàn)為工藝技術(shù)滯后和設(shè)備技術(shù)落后兩大問題。因此，我國的封裝產(chǎn)業(yè)未來要從芯片生產(chǎn)后段難度較低的配套產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)獨(dú)立的封裝測(cè)試產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，亟須在材料技術(shù)、設(shè)備技術(shù)及工藝技術(shù)多領(lǐng)域全面發(fā)力，以此來適應(yīng)和滿足當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和封裝產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的需要。

芯片制造步驟

如下圖，制造芯片主要分為三個(gè)步驟。

1.電路設(shè)計(jì)公司根據(jù)需求設(shè)計(jì)芯片

2.集成電路制造廠(eg:中芯國際、臺(tái)積電)制造芯片

3.IC封裝廠與IC測(cè)試廠進(jìn)行封裝測(cè)試

芯片封裝是基礎(chǔ)，具體形成完整功能的系統(tǒng)，如手機(jī)，具體的電子封裝的步驟如下圖所示。

芯片封裝

現(xiàn)在的電子系統(tǒng)往往不能由一種集成電路芯片組成，它必須與其他元件系統(tǒng)互連，才能實(shí)現(xiàn)整體的系統(tǒng)功能。芯片封裝，是將芯片封裝體與其他元器件組合，裝配成完整的系統(tǒng)或電子設(shè)備，并確保整個(gè)系統(tǒng)綜合性能實(shí)現(xiàn)的工程。

主流的封裝技術(shù)

DIP雙列直插式封裝，多用于小規(guī)模電路。我們最先接觸的51單片機(jī)，其中芯片就是這種封裝。

2. QFP/ PFP類型封裝，適用于一般大規(guī)?；虺笮图呻娐?/p>

3.BGA類型封裝，當(dāng)IC的頻率超過100MHZ時(shí)，傳統(tǒng)封裝方式可能會(huì)產(chǎn)生所謂的“CrossTalk”現(xiàn)象，而且當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208 Pin時(shí)，傳統(tǒng)的封裝方式有其困難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片皆轉(zhuǎn)為使用BGA封裝技術(shù)。

4.Flip Chip封裝，又稱倒裝芯片，是近年比較主流的封裝形式之一，主要被高端器件及高密度封裝領(lǐng)域采用。在所有表面安裝技術(shù)中，倒裝芯片可以達(dá)到最小、最薄的封裝

芯片封裝的目的在于確保芯片經(jīng)過封裝之后具有較強(qiáng)的機(jī)械性能、良好的電氣性能和散熱性能。主要功能作用有以下幾點(diǎn)：

傳遞電能

傳遞電信號(hào)

散熱

電路保護(hù)

系統(tǒng)集成

總而言之，封裝技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科、跨行業(yè)的綜合工程，廣泛涉及材料、電子、熱學(xué)、機(jī)械和化學(xué)等多種學(xué)科，是微電子器件發(fā)展不可分割的重要組成部分。

芯片封裝的可靠性測(cè)試

可靠性測(cè)試主要是產(chǎn)品在一些特定的狀態(tài)（特定使用環(huán)境與一定時(shí)間），對(duì)產(chǎn)品壽命影響的評(píng)估，確認(rèn)產(chǎn)品的質(zhì)量是否穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)行最佳的修正。

目前芯片載板封裝的可靠性測(cè)試，大部分都是依照各個(gè)封裝廠客戶所要求的采購規(guī)范來執(zhí)行，同時(shí)也會(huì)參照其他廠家或某些國際公認(rèn)的可靠性規(guī)范來進(jìn)行檢測(cè)。以下是進(jìn)行可靠性測(cè)試最常被采用的組織：

（1）國際電工委員會(huì)（IEC）

（2）美國軍規(guī)（Milstd）

（3）國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)（IPC）

（4）半導(dǎo)體工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織（JEDEC）

（5）日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（JIS）

測(cè)試內(nèi)容

溫度循環(huán)測(cè)試（Temperature Cycling Test, TCT）：是由熱氣腔和冷氣腔組成，通過將封裝體暴露在高低溫氣體轉(zhuǎn)換的環(huán)境中，測(cè)試封裝體抵抗溫度差異化的能力；

熱沖擊測(cè)試（Thermal Shock Test, TST）：是通過將封裝體暴露于高低溫液體的轉(zhuǎn)換環(huán)境中，測(cè)試封裝體抗熱沖擊的能力；

高溫儲(chǔ)藏試驗(yàn)（High Temperature Storage Test, HTST）：通過將封裝體長時(shí)間暴露于150℃的高溫氮?dú)鉅t中，測(cè)試電路通斷路情況；

蒸汽鍋測(cè)試（Pressure Cooker Test, PCT）：俗稱高壓鍋測(cè)試，主要測(cè)試封裝產(chǎn)品抵抗環(huán)境濕度的能力，并通過增加壓強(qiáng)來縮短測(cè)試時(shí)間；

加速應(yīng)力測(cè)試（High Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST）：通過在高溫高濕以及偏壓的環(huán)境下，測(cè)試封裝體抗?jié)穸饶芰Γ?/p>

Precon測(cè)試（Precondition Test）：是模擬芯片封裝完成后，運(yùn)輸?shù)较掠谓M裝廠裝配成最終產(chǎn)品的過程中，針對(duì)產(chǎn)品會(huì)經(jīng)歷的可能環(huán)境變化所作的可靠性測(cè)試項(xiàng)目。模擬測(cè)試整個(gè)過程中有類似TCT和THT的測(cè)試。測(cè)試前先確認(rèn)封裝電器成品性能沒有問題，然后開始各項(xiàng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，先是TCT，模擬運(yùn)輸過程中的溫度變化，目的在了解電子元器件的吸濕狀況，再在恒溫環(huán)境放置一段時(shí)間后（吸濕測(cè)試條件分為6個(gè)等級(jí)，依客戶要求選用測(cè)試），再模擬后段焊錫加工過程，然后檢查元器件的電器特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否失效。

先進(jìn)封裝技術(shù)的改進(jìn)

SIP

SIP是指把構(gòu)成一個(gè)完整電子系統(tǒng)的多個(gè)芯片封裝在一起的技術(shù)，例如將移動(dòng)終端中的存儲(chǔ)器、接口電路和處理器都封裝在一個(gè)封裝體內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)的微型化。

SiP能夠?qū)崿F(xiàn)不同源的多個(gè)芯片以及不同材質(zhì)橫向及縱向的異質(zhì)集成，可實(shí)現(xiàn)高密度系統(tǒng)級(jí)封裝，進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能、降低功耗，如下圖：

SIP與SOC的對(duì)比

與系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)相對(duì)應(yīng)的是SoC（System on Chip）, SoC是高度集成的芯片產(chǎn)品。SoC與SiP極為相似，兩者均是將一個(gè)包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動(dòng)組件的系統(tǒng)整合在一個(gè)單位中。SoC是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。SiP是從封裝的角度出發(fā)，對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式。

從集成度而言，一般情況下，SoC只集成AP之類的邏輯系統(tǒng)，而SiP集成了AP、DDR、SDRAM。

另外，SiP是把多個(gè)半導(dǎo)體芯片和無源器件封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)，組成一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的芯片，而不再用線路板或者載板來作為承載芯片連接的載體，可以解決載板自身制造工藝極限所造成的封裝工藝瓶頸問題

SIP的分類

初期的SiP主要是將多芯片在二維平面作分布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過載板實(shí)現(xiàn)集成，雖然實(shí)現(xiàn)了SiP的定義，但是在體積、運(yùn)行效率和功耗等技術(shù)指標(biāo)上還是相對(duì)無法滿足消費(fèi)市場(chǎng)上的高端電子產(chǎn)品的需要。隨著芯片封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，部分芯片由二維平面分布排列的方式走向三維堆疊的方式，這是目前較為先進(jìn)的SiP方式，我們可以稱之為2.5D SiP工藝，如下圖：

3D封裝將CPU/GPU/SoC與DRAM堆疊并在垂直方向上連接整合，封裝的面積比2.5D封裝工藝更小，并且在2.5D封裝的基礎(chǔ)上還去掉了TSV interposer的部分，如下圖：

可以預(yù)料，多芯片的3D疊加SiP技術(shù)將進(jìn)一步縮短互連互通的線路距離，進(jìn)一步提高集成度等，這也是最終3D SiP的發(fā)展目標(biāo)。

2.5D封裝

2.5D指的就是芯片做好先不封裝，而是在同一個(gè)基板上平行排列，然后通過引線鍵合或倒裝芯片或硅通孔的工藝連接到中介層（Inter-poser）上，將多個(gè)功能芯片在垂直方向上連接起來的制造工藝。

其封裝工藝主要分為以下三個(gè)步驟：

1. 形成3D-DRAM芯片集成。

   
   

2.形成Si-Interposer。

3.將第一步的3D-DRAM芯片和CPU/GPU/SoC芯片與Si-Inter-poser集成。

3D封裝

TSV是三維的芯片堆疊技術(shù)，通過硅通孔技術(shù)將多層芯片互連導(dǎo)通，是一項(xiàng)高密度封裝技術(shù)。TSV取代的是傳統(tǒng)的低成本、高良率的引線鍵合技術(shù)，所以TSV將長期應(yīng)用在高性能、高密度封裝領(lǐng)域，目前被認(rèn)為是最具有潛力的3D集成封裝關(guān)鍵技術(shù)。TSV技術(shù)主要通過銅等導(dǎo)電物質(zhì)的填充完成硅通孔的垂直電氣互連，減小信號(hào)延遲，降低電容、電感，實(shí)現(xiàn)芯片的低功耗、高速通信，增加帶寬和實(shí)現(xiàn)器件集成的小型化需求。

TSV主要工藝流程：

孔成型

沉積介電層、種子層

電鍍銅

CMP

疊加互連

如下圖：

TSV技術(shù)本質(zhì)上并不是單純的硅通孔技術(shù)，而是一種高階的系統(tǒng)集成方案，它將半導(dǎo)體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。基于這個(gè)原因，TSV是3D芯片封裝得以實(shí)現(xiàn)的重要前提。

板級(jí)封裝

扇出型晶圓級(jí)封裝一般是將芯片封裝在8英寸或12英寸的晶圓內(nèi)，通常線寬和線距可以達(dá)到2/2微米。扇出型板級(jí)封裝是將芯片封裝在方形基板上，規(guī)格一般要比晶圓大，但具體尺寸業(yè)界還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。很顯然，尺寸更大的基板容納的芯片數(shù)量更多，例如：24×24英寸的基板所容納的芯片數(shù)量是8英寸晶圓的11倍；除了尺寸更大的原因之外，還由于晶圓有圓邊的存在，其面積使用率小于85%，而方形基板的使用率可以超過95%。由于板級(jí)封裝生產(chǎn)效率的提高，在保證良率大于90%的情況下，可大幅度降低生產(chǎn)成本，最多可帶來50%的降幅。除此之外，板級(jí)封裝還具有以下優(yōu)勢(shì)：散熱性能和電氣性能更好，同時(shí)不需要用中介層、倒裝、填充層、封裝載板等，封裝尺寸更小，因此具有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。如圖：

封裝技術(shù)未來趨勢(shì)

在過去的幾十年里，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展基本遵循著摩爾定律的規(guī)則和軌跡：①單位芯片內(nèi)可容納的元器件數(shù)量每18個(gè)月會(huì)增加一倍；②芯片封裝的制造成本每18個(gè)月會(huì)降低一半。在摩爾定律放緩的今天，業(yè)界普遍認(rèn)為超越摩爾定律的關(guān)鍵在于先進(jìn)封裝技術(shù)的升級(jí)，這也是能夠極大推動(dòng)半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)效益及產(chǎn)品性能提升的關(guān)鍵。

隨著科技日新月異的發(fā)展，新興領(lǐng)域例如5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的出現(xiàn)以及傳統(tǒng)領(lǐng)域的升級(jí)迭代對(duì)于電子產(chǎn)品的性能以及尺寸提出了更高的要求。對(duì)于集成電路制造商而言，新型封裝正在扮演一個(gè)重要的角色。當(dāng)前，先進(jìn)封裝的發(fā)展呈爆炸式向各個(gè)方向發(fā)展，而每個(gè)開發(fā)相關(guān)技術(shù)的公司都將自己的技術(shù)獨(dú)立命名并注冊(cè)商標(biāo)，如臺(tái)積電的InFO（Integrated Fan-Out Package）、CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate），日月光集團(tuán)的FoCoS（Fan-out Chip on Substrate），安靠公司的SLIM（Silicon-less Integrated Module）、SWIFT等。

縱覽幾十年特別是近十年封裝技術(shù)的發(fā)展歷程，主要體現(xiàn)在以下方面：①單芯片向多芯片發(fā)展；②2D向3D轉(zhuǎn)變；③封裝集成度不斷增加；④晶圓級(jí)向面積更大的板級(jí)發(fā)展。對(duì)于封裝所提出的要求是小型化，提升高熱環(huán)境下的可靠性及穩(wěn)定性，提升集成度，適應(yīng)高密度、多引腳、多接點(diǎn)的封裝并且兼顧不同材料的應(yīng)用以及環(huán)保要求。