半導體封裝技術(shù)研究

摘要：

本文以半導體封裝技術(shù)為研究對象，在論述半導體封裝技術(shù)及其重要作用的基礎(chǔ)上，探究了現(xiàn)階段半導體封裝技術(shù)的芯片保護、電氣功能實現(xiàn)、通用性、封裝界面標準化、散熱冷卻功能等諸多發(fā)展趨勢，深入研究了半導體前端制造工藝對封裝技術(shù)的影響，探究了各種半導體封裝內(nèi)部連接方式之間的相互關(guān)系，旨在為我國半導體封裝技術(shù)應(yīng)用水平的快速提升帶來更多參考和啟迪。

就半導體制造產(chǎn)業(yè)而言，半導體工藝制造流程主要包括前道部分和后道部分，其中，前道部分的半導體制造涉及內(nèi)容較繁雜且技術(shù)要求精度較高，整個工藝制造流程數(shù)可高達數(shù)百個，且半導體各工藝流程、批次、設(shè)備之間往往存在著相互影響、相互關(guān)聯(lián)和相互依托的緊密關(guān)系，是半導體前道工序供應(yīng)生產(chǎn)的典型特征，也是當今社會公認的最為復(fù)雜的產(chǎn)品制造過程。就半導體后道封裝工藝而言，封裝工藝相比前道工藝流程較簡單，但由于半導體設(shè)備批量較小、品種較多，且部分產(chǎn)品分批、合批等操作復(fù)雜，操作步驟較多，因此，半導體后道封裝工序仍舊是混合型和復(fù)雜型的工藝制造過程。就我國現(xiàn)階段半導體企業(yè)后道封裝工藝生產(chǎn)而言，其生產(chǎn)技術(shù)和半導體后道封裝效率提升仍舊存在一定難題。因此，本文圍繞半導體封裝技術(shù)進行深入探討與研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 半導體封裝技術(shù)及其作用

傳統(tǒng)模式下，人們對半導體封裝技術(shù)的理解較為局限，更多地將其局限于半導體連接以及一個批次間的組裝，其整體涉及范圍較窄，且將半導體封裝技術(shù)以普通的生產(chǎn)技術(shù)對待，并未充分發(fā)掘半導體封裝技術(shù)的重要價值。隨著近年來電子信息產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，半導體封裝技術(shù)逐步與電子產(chǎn)業(yè)工程相連接，在電子信息技術(shù)的支持下得到了更長足的發(fā)展和進步。

縱觀我國現(xiàn)階段半導體封裝技術(shù)以及世界半導體封裝技術(shù)發(fā)展過程可知，目前半導體封裝技術(shù)的發(fā)展已然可歸納為五大發(fā)展階段，目前絕大部分國家正朝著第四階段和第五階段邁進。具體而言，半導體封裝技術(shù)的第一階段為 20 世紀 70 年代以前，該時間期限內(nèi)的半導體封裝技術(shù)主要采用通孔插裝型封裝技術(shù)，封裝方式主要包括金屬圓形封裝或塑料雙列直插封裝等諸多形式。第二階段即為 20世紀 70 年代到 20 世紀 80 年代后期，該時間段內(nèi)的半導體封裝技術(shù)主要采用表面貼裝型封裝方式，典型的封裝外觀有塑料引線片封裝或無線四邊扁平封裝等。第三階段為 20 世紀 80 年代到 20 世紀90 年代，主要包括焊球陣列封裝或芯片尺寸封裝技術(shù)等，通?？山柚沾珊盖蜿嚵蟹庋b或倒裝芯片焊球陣列封裝等方式實現(xiàn)。第四階段為 20 世紀末期，該時間段內(nèi)半導體封裝技術(shù)主要采用多芯片組件封裝或系統(tǒng)封裝方式，甚至部分先進國家進一步采用了三維立體封裝技術(shù)，典型的封裝結(jié)構(gòu)主要包括多層陶瓷基板封裝模式或多層薄膜基板封裝模式。第五階段為 21 世紀初期，該時間段內(nèi)的半導體封裝結(jié)構(gòu)封裝技術(shù)主要為系統(tǒng)級的單芯片封裝模式或微電子機械結(jié)構(gòu)的封裝模式。整體而言，全世界范圍內(nèi)的半導體封裝技術(shù)主流發(fā)展仍處于第三階段的成熟期和技術(shù)快速進步發(fā)展期，焊球陣列封裝和芯片尺寸封裝技術(shù)基本是現(xiàn)階段半導體封裝技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)和使用的關(guān)鍵技術(shù)類型。

總體而言，半導體封裝技術(shù)主要包括以下作用：

（1）半導體封裝技術(shù)能夠保證半導體設(shè)備元件的正常工作，確保其預(yù)期功能的正常發(fā)揮；

（2）半導體封裝技術(shù)能夠保證半導體內(nèi)部信息數(shù)據(jù)的正常存儲與讀取，且能夠以功能化模塊結(jié)構(gòu)的形勢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能要求；

（3）半導體封裝技術(shù)能夠通過各功能塊之間的強強結(jié)合，構(gòu)成半導體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置，實現(xiàn)其整體功能；

（4）半導體封裝技術(shù)能夠便于人和機器設(shè)備之間的信息交互，能夠建立更加方便快捷且響應(yīng)速度更快的人機界面；

（5）半導體封裝技術(shù)能夠進一步加強半導體作為商品的附加價值，增強其市場競爭力。

2 半導體封裝技術(shù)的現(xiàn)狀及動向

2.1 芯片保護

隨著 21 世紀信息技術(shù)的進一步發(fā)展，半導體內(nèi)部搭載多個芯片甚至多芯片封裝以及封裝內(nèi)系統(tǒng)或系統(tǒng)封裝等技術(shù)進一步普及與發(fā)展，伴隨著大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)逐步朝著小型化、薄型化方向理論體系的進一步成熟，半導體封裝技術(shù)在遵從傳統(tǒng)模式下嚴格狀態(tài)的氣密性封裝，向現(xiàn)階段更加簡易、便于操作的樹脂型封裝技術(shù)方向發(fā)展，而隨著大規(guī)模集成電路封裝尺寸的進一步縮小和半導體疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的進一步成熟，半導體封裝技術(shù)除了滿足傳統(tǒng)模式下半導體封裝的保護芯片要求、運行可靠性要求等基本要求外，更應(yīng)將半導體搭載于母板結(jié)構(gòu)降低其應(yīng)力緩沖以及保證半導體搭載連接可靠性。

2.2 電氣功能的實現(xiàn)

隨著近年來電源接地系統(tǒng)穩(wěn)定層穩(wěn)定要求的進一步拔高，為最大限度降低半導體運行過程中電流感應(yīng)、直流電阻甚至寄生電容等對半導體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)盡可能地發(fā)揮半導體封裝過程中的電器功能。在此過程中，半導體電氣信號布線應(yīng)隨著輸入和輸出端子數(shù)的進一步增加盡可能縮短布線長度，實現(xiàn)電源接地系統(tǒng)的阻攔和抗擊匹配，降低系統(tǒng)中電感、直流電阻甚至寄生電容等的不良影響。因此，為實現(xiàn)大規(guī)模集成電路中電氣功能目標，在以設(shè)計為主導的戰(zhàn)略觀念的支持下，充分考慮大規(guī)模集成電路的回路設(shè)計與封裝技術(shù)應(yīng)用，研究搭載封裝技術(shù)的模板結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證半導體電氣功能的圓滿達成。

2.3 通用性及封裝界面標準化

隨著半導體產(chǎn)業(yè)的進一步成熟和完善，未來封裝技術(shù)中平面陣列端子型封裝技術(shù)將成為半導體封裝的常用技術(shù)，而隨著半導體材料應(yīng)用范圍的進一步拓寬，半導體結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣化與復(fù)雜性增強，僅依賴傳統(tǒng)模式下的平面陣列端子型封裝技術(shù)并不能滿足半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的多樣化要求。例如，當半導體結(jié)構(gòu)檢查時，利用平面陣列端子的電氣接觸技術(shù)，將半導體安裝于母板后對待連接的部位進行檢查，但現(xiàn)階段薄型封裝技術(shù)中的拾取技術(shù)并不能滿足其基本要求，因此，對封裝技術(shù)中的拾取技術(shù)進行深入分析是未來半導體封裝通用性以及封裝界面標準化發(fā)展的重要趨勢。同時，關(guān)于半導體封裝后端子節(jié)距、封裝尺寸以及封裝材料等的創(chuàng)新，甚至半導體與模板實裝界面的標準化設(shè)計等，都應(yīng)是未來半導體封裝技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

2.4 散熱冷卻功能

進一步探究半導體芯片性能可知，大規(guī)模集成電路中的特性線寬要求在日益發(fā)達的現(xiàn)代信息社會即將進入亞 0.1nm 時代，因此，為確保先進芯片的性能能夠滿足智能化社會發(fā)展目標，對半導體芯片的性能預(yù)測進行探究，在未來的半導體發(fā)展過程中，幾乎所有電子設(shè)備使用大規(guī)模集成電路的功耗都將進一步增加，而大規(guī)模集成電路的功能大約在 2~3w 以上，此時需在半導體封裝技術(shù)應(yīng)用過程中增加散熱片或增加熱沉，以此增加半導體散熱冷卻功能。在5~10W 以上時，則必須采取強制冷卻手段，保證半導體散熱冷卻功能的正常發(fā)揮。當半導體功能損耗值在 50~100W 以上時，則應(yīng)該采取空冷技術(shù)?？傊鲜鏊猩崂鋮s技術(shù)在未來一段時間內(nèi)都將是半導體封裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3 半導體前端制造工藝對封裝技術(shù)的影響

半導體前端制造工藝對半導體封裝技術(shù)的影響，將直接快速地反應(yīng)到半導體后端生產(chǎn)技術(shù)上。眾所周知，現(xiàn)階段通用的大規(guī)模集成電路中的線寬由以往的 0.09 微米進一步縮小，在 2008 年達到了0.057 微米，2018 年進一步縮小到 0.018 微米。與此同時，大規(guī)模集成電路中引線鍵合的焊盤間距在同一時間內(nèi)隨著大規(guī)模集成電路線寬的不斷縮小，從 35 微米進一步縮小到了 20 微米，而倒裝芯片焊盤間距也進一步由以往模式下的 150 微米進一步縮小到現(xiàn)階段的70 微米左右，總體而言，半導體前端制造工藝焊盤間距將隨著前端線寬的不斷降低而不斷減小。也就是說，焊盤間距將進一步隨著前端線寬參數(shù)值的不斷降低而減小，該趨勢也是未來較長時間內(nèi)半導體封裝技術(shù)應(yīng)用時內(nèi)部連接方式發(fā)展的重要趨勢。同時，作為大規(guī)模集成電路中的半導體芯片，由芯片到下一級封裝或印刷電路板的連接方式及整個內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)，受到封裝技術(shù)以及連接對象物理尺寸的限制，焊盤間距并不像半導體前端線寬一樣呈現(xiàn)出持續(xù)縮短的穩(wěn)定變化規(guī)律，而是在達到一定臨界值后，呈現(xiàn)出不再變化特征，這是半導體封裝技術(shù)不同于前端制造工藝的重要特點，也是半導體技術(shù)中應(yīng)用封裝技術(shù)應(yīng)關(guān)注的重要內(nèi)容。

4 各種半導體封裝內(nèi)部連接方式的相互關(guān)系

目前，半導體封裝結(jié)構(gòu)中 90% 以上的封裝管腳采用引線鍵合連接模式，倒裝芯片的內(nèi)部連接模式整體增長速度盡管較快，但直到 2018 年，我國半導體產(chǎn)業(yè)仍就以引線鍵合方式作為半導體芯片內(nèi)部連接的主導技術(shù)，無論是在半導體封裝行業(yè)或其他權(quán)威預(yù)測均表明引線鍵合內(nèi)部連接方式是現(xiàn)階段半導體封裝甚至是半導體產(chǎn)業(yè)低端封裝內(nèi)部最主流的連接方式。基于引線鍵合方式的工藝硅膠凸點，能夠進一步生成倒裝芯片的關(guān)鍵工序內(nèi)容，并對倒裝芯片連接方式中的諸多常規(guī)步驟進行融合，這一優(yōu)勢是引線鍵合連接方式長期存續(xù)且在半導體內(nèi)部封裝技術(shù)應(yīng)用中源源不竭的重要特征。盡管倒裝芯片封裝技術(shù)發(fā)展較為迅速，但仍舊受到運行可靠性和運行成本高昂的限制，無法在大規(guī)模的市場環(huán)境中進行推廣，更遑論取代以往引線鍵合方式成為半導體封裝技術(shù)內(nèi)部的主流連接方法。

總之，倒裝芯片的半導體封裝方式在現(xiàn)階段的半導體封裝技術(shù)應(yīng)用過程中受到高昂的成本限制和運行安全可靠性等諸多因素的不良影響，并不能夠在大范圍商業(yè)用途的半導體芯片過程中使用，不能進行大規(guī)模或大體量的生產(chǎn)與售賣，并不能夠取代引線鍵合方式而成為現(xiàn)階段半導體內(nèi)部封裝連接方式。但倒裝芯片的半導體封裝內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)形式，將作為高成本和高性能同步發(fā)展狀態(tài)下的半導體封裝內(nèi)部連接方式，與引線鍵合連接方式長期共存，該類新型的半導體封裝技術(shù)，將會對部分性能要求較高而在一定程度上忽視成本費用的行業(yè)，例如航空航天行業(yè)或軍用行業(yè)中的半導體封裝中得到進一步發(fā)展與應(yīng)用。也就是說，引線鍵合的和倒裝芯片的半導體封裝內(nèi)部連接方式，在現(xiàn)階段都將繼續(xù)按照其自身發(fā)展的技術(shù)規(guī)律不斷進步，也將在半導體封裝技術(shù)不斷提升和優(yōu)化背景下得到長足穩(wěn)定的發(fā)展。此外，半導體封裝系統(tǒng)也是近年來半導體封裝技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，在一定程度上代表了未來較長時間內(nèi)半導體封裝技術(shù)的發(fā)展方向。封裝中系統(tǒng)是在半導體封裝技術(shù)中利用多個不同結(jié)構(gòu)、形式相互獨立卻又緊密益相關(guān)的集成模塊，實現(xiàn)半導體，尤其是大規(guī)模集成電路的完整性和其他強大功能。該封裝系統(tǒng)具備較短的開發(fā)周期技術(shù)優(yōu)勢，也具備較強的開發(fā)靈活性優(yōu)勢，封裝中系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合引線鍵合和倒裝芯片甚至是硅片鍵合和方向，在其技術(shù)發(fā)展上均有所體現(xiàn)，其共同存在情況將進一步優(yōu)化半導體封裝技術(shù)在未來的發(fā)展。

5 結(jié)論與展望

在電子信息化產(chǎn)業(yè)進一步完善和市場發(fā)展過程中，半導體生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)盡可能地提升其封裝工藝，通過半導體內(nèi)部封裝連接方式相互關(guān)系的總結(jié)與梳理以及半導體前端制造工藝對整個封裝技術(shù)應(yīng)用的影響關(guān)系梳理，充分感知半導體封裝技術(shù)的現(xiàn)階段應(yīng)用現(xiàn)狀及未來創(chuàng)新方向，為半導體封裝技術(shù)應(yīng)用水平的快速提升打下扎實基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅