閑聊芯片封裝

芯片產(chǎn)業(yè)是一個(gè)分工很細(xì)的產(chǎn)業(yè)。設(shè)計(jì)公司做完邏輯和物理設(shè)計(jì)，將最終設(shè)計(jì)結(jié)果交給芯片生產(chǎn)廠。芯片生產(chǎn)廠通過(guò)很多復(fù)雜的工序，在一塊大的晶圓上做出了許許多多的小芯片。然后，這些小芯片（die）被從晶圓上切割下來(lái)，為什么叫die，眾說(shuō)紛紜，有一種說(shuō)法是因?yàn)楫?dāng)初的生產(chǎn)工藝比較差，切割出的芯片經(jīng)常會(huì)作廢，die了。

實(shí)際上die就像一塊小玻璃，非常的脆弱，不能直接使用，需要在外面加一層保護(hù)殼，也就是我們常聽(tīng)到的“封裝”。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，封裝技術(shù)需要將die固定在基板（substrate）上，然后將die上的引腳連接到芯片外殼的引腳上。

傳統(tǒng)封裝中最常見(jiàn)的“引線鍵合（wire-bonding）”封裝，即芯片正面朝上固定在基板上，然后通過(guò)很細(xì)的金屬線（通常是金線）把die的引腳連接到基板焊盤(pán)上，最后把die/基板/金屬線全部密封起來(lái)，密封用的材料有塑料，陶瓷等。這種封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低；缺點(diǎn)是封裝完的芯片尺寸比die的尺寸大許多，且芯片管腳數(shù)受限。

隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展出“倒裝（flip-chip）”技術(shù)，晶圓切割前就在die上做好焊點(diǎn)（bump），封裝時(shí)將die翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，把有bump的那面正對(duì)著載板，通過(guò)加熱加壓的方法使bump與載板上的焊點(diǎn)連接好。相比wire-bonding，flip-chip可以有更多管腳數(shù)量，封裝尺寸接近die的尺寸，并且電氣性能，結(jié)構(gòu)特性等更好。但是隨著芯片功能越來(lái)越復(fù)雜，I/O數(shù)量急劇增加，在有限的die尺寸下長(zhǎng)好所有bump且滿足嚴(yán)格的bump間距約束已經(jīng)越來(lái)越難。

后來(lái)衍生出Fan-Out WLP（Wafer Level Packages），也叫FOWLP，先將die從晶圓上切割下來(lái)，倒置粘在載板上形成了一重組晶圓（Reconstituted Wafer）。在重組晶圓中，生成重新布線層（redistribution layer，RDL）。利用FOWLP技術(shù)，bump可以長(zhǎng)到die外面，封裝后IC也比die面積大（也就是Fan-out）。

上面說(shuō)的單顆die的封裝，將多個(gè)die封裝在一起，有很多種方式。通常分為2D，2.5D，3D封裝。

最直接的方式，將多顆die正面朝下，焊接到基板上，die與die之間的互連就靠基板上的走線。這種辦法的缺點(diǎn)是基板上的布線密度低，因此die與die之間的互連受限。

一種解決辦法是在基板上加一層“硅中介層”。多顆die正面朝下連接到硅中介層上，die與die的互連布線在中介層完成。也就是說(shuō)硅中介層充當(dāng)了die-die互連和die-substrate互連角色。硅中介層可以直接由半導(dǎo)體工藝制造，所以其布線密度遠(yuǎn)高于基板，這樣也就解決die-die互連的問(wèn)題。說(shuō)完優(yōu)點(diǎn)，再來(lái)看看缺點(diǎn)，中介層需要承載多顆die，因此其面積大于所有die的面積之和。還有剛才也提到了，中介層也是半導(dǎo)體工藝制作，成本不低，且很難做很大面積。目前，這個(gè)技術(shù)的代表是臺(tái)積電的CoWoS。

為了降低中介層的尺寸，英特爾發(fā)明了EMIB，將die-die的互連用“硅橋（Si Bridge）”實(shí)現(xiàn)，且硅橋嵌入在基板內(nèi)部，die-substarte的連接通過(guò)傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)。這種做法可以大大降低硅中介層的面積，減少成本，減輕多die封裝的限制。

2.5D封裝還有一種技術(shù)，叫FOCoS（Fan-Out Chip on Substrate），顧名思義，在基板上做芯片扇出。硅橋嵌入在扇出 RDL 層中。按照RDL層和芯片貼裝兩個(gè)環(huán)節(jié)的先后次序不同，F(xiàn)OCoS又可以分為chip-last和chip-first兩種。

可以看出，在目前的2.5D封裝技術(shù)中，所有的die處在一個(gè)平面上。所以，注定了一顆芯片中不能有太多die。聰明的技術(shù)大牛們想出了3D封裝，把die堆疊起來(lái)，die間的連接通過(guò)TSV（Through Silicon Via）。這種技術(shù)好歸好，但是難度太高，成本太大。試想一下，在又薄又脆弱的玻璃片上打很多通孔，再把這些玻璃片摞高高，是不是聽(tīng)著就頭疼。其實(shí)早在NAND flash芯片中就采用了堆疊技術(shù)，但是die之間不需要TSV，所以嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)不能算3D封裝。

具體的3D封裝技術(shù)那就更多了，各大廠商紛紛推出自己的技術(shù)，比如SoIC，X-cube，F(xiàn)overos等。

最后總結(jié)一下，2D封裝就像一間大平房，每個(gè)房間是一個(gè)功能模塊；2.5D封裝就像一間四合院，在外面看是一個(gè)整體，在內(nèi)部看有多間獨(dú)立房屋，房屋排列在一個(gè)平面上，房屋之間的互連要通過(guò)院子，也就是芯片中的中介層；3D封裝像是一棟樓房，房屋間的互連是通過(guò)垂直的樓梯或者電梯。