半導(dǎo)體封裝的作用、工藝和演變

在郵寄易碎物品時(shí)，使用合適的包裝材料尤為重要，因?yàn)樗_保包裹能夠完好無損地到達(dá)目的地。泡沫塑料、氣泡膜和堅(jiān)固的盒子都可以有效地保護(hù)包裹內(nèi)的物品。同樣地，封裝是半導(dǎo)體制造工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以保護(hù)芯片免受物理性或化學(xué)性損壞。然而，半導(dǎo)體封裝的作用并不止于此。

本文將詳述封裝技術(shù)的不同等級、作用和演變過程。

半導(dǎo)體封裝工藝的四個等級

電子封裝技術(shù)與器件的硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)。這些硬件結(jié)構(gòu)包括有源元件【1】（如半導(dǎo)體）和無源元件【2】（如電阻器和電容器【3】）。因此，電子封裝技術(shù)涵蓋的范圍較廣，可分為0級封裝到3級封裝等四個不同等級。圖1展示了半導(dǎo)體封裝工藝的整個流程。首先是0級封裝，負(fù)責(zé)將晶圓切割出來；其次是1級封裝，本質(zhì)上是芯片級封裝；接著是2級封裝，負(fù)責(zé)將芯片安裝到模塊或電路卡上；最后是3級封裝，將附帶芯片和模塊的電路卡安裝到系統(tǒng)板上。從廣義上講，整個工藝通常被稱為“封裝”或“裝配”。然而，在半導(dǎo)體行業(yè)，半導(dǎo)體封裝一般僅涉及晶圓切割和芯片級封裝工藝。

【1】有源元件：一種需要外部電源才能實(shí)現(xiàn)其特定功能的器件，就像半導(dǎo)體存儲器或邏輯半導(dǎo)體。

【2】無源元件：一種不具備放大或轉(zhuǎn)換電能等主動功能的器件。

【3】電容器（Capacitor）：一種儲存電荷并提供電容量的元件。

▲圖1：半導(dǎo)體的封裝等級（信息來源：“電子封裝原理 (Principle of Electronic Packaging)”，第5頁）

封裝通常采用細(xì)間距球柵陣列（FBGA）或薄型小尺寸封裝（TSOP）的形式，如圖2所示。FBGA封裝中的錫球【4】和TSOP封裝中的引線【5】分別充當(dāng)引腳，使封裝的芯片能夠與外部組件之間實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。

【4】錫（Solder）：一種低熔點(diǎn)金屬，支持電氣和機(jī)械鍵合。

【5】引線（Lead）：從電路或元件終端向外引出的導(dǎo)線，用于連接至電路板。

▲圖2：半導(dǎo)體封裝示例（來源：? HANOL出版社）

半導(dǎo)體封裝的作用

圖3展示了半導(dǎo)體封裝的四個主要作用，包括機(jī)械保護(hù)、電氣連接、機(jī)械連接和散熱。其中，半導(dǎo)體封裝的主要作用是通過將芯片和器件密封在環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）等封裝材料中，保護(hù)它們免受物理性和化學(xué)性損壞。盡管半導(dǎo)體芯片由數(shù)百個晶圓工藝制成，用于實(shí)現(xiàn)各種功能，但主要材質(zhì)是硅。硅像玻璃一樣，非常易碎。而通過眾多晶圓工藝形成的結(jié)構(gòu)同樣容易受到物理性和化學(xué)性損壞。因此，封裝材料對于保護(hù)芯片至關(guān)重要。

▲圖3：半導(dǎo)體封裝的作用（來源：? HANOL出版社）

此外，半導(dǎo)體封裝可以實(shí)現(xiàn)從芯片到系統(tǒng)之間的電氣和機(jī)械連接。封裝通過芯片和系統(tǒng)之間的電氣連接來為芯片供電，同時(shí)為芯片提供信號的輸入和輸出通路。在機(jī)械連接方面，需將芯片可靠地連接至系統(tǒng)，以確保使用時(shí)芯片和系統(tǒng)之間連接良好。

同時(shí)，封裝需將半導(dǎo)體芯片和器件產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)出去。在半導(dǎo)體產(chǎn)品工作過程中，電流通過電阻時(shí)會產(chǎn)生熱量。如圖3所示，半導(dǎo)體封裝將芯片完全地包裹了起來。如果半導(dǎo)體封裝無法有效散熱，則芯片可能會過熱，導(dǎo)致內(nèi)部晶體管升溫過快而無法工作。因此，對于半導(dǎo)體封裝技術(shù)而言，有效散熱至關(guān)重要。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度日益加快，功能日益增多，封裝的冷卻功能也變得越來越重要。

半導(dǎo)體封裝的發(fā)展趨勢

圖4概述了近年來半導(dǎo)體封裝技術(shù)的六大發(fā)展趨勢。分析這些趨勢有助于我們了解封裝技術(shù)如何不斷演變并發(fā)揮作用。

首先，由于散熱已經(jīng)成為封裝工藝的一個重要因素，因此人們開發(fā)出了熱傳導(dǎo)【6】性能較好的材料和可有效散熱的封裝結(jié)構(gòu)。

【6】熱傳導(dǎo)：指在不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移的情況下，熱量從溫度較高的部位傳遞到相鄰溫度較低部位的過程。

可支持高速電信號傳輸?shù)姆庋b技術(shù)也成為了一種重要發(fā)展趨勢，因?yàn)榉庋b會限制半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度。例如，將一個速度達(dá)每秒20千兆 (Gbps) 的半導(dǎo)體芯片或器件連接至僅支持每秒2千兆(Gbps) 的半導(dǎo)體封裝裝置時(shí)，系統(tǒng)感知到的半導(dǎo)體速度將為每秒2千兆 (Gbps)。由于連接至系統(tǒng)的電氣通路是在封裝中創(chuàng)建，因此無論芯片的速度有多快，半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度都會極大地受到封裝的影響。這意味著，在提高芯片速度的同時(shí)，還需要提升半導(dǎo)體封裝技術(shù)，從而提高傳輸速度。這尤其適用于人工智能技術(shù)和5G無線通信技術(shù)。鑒于此，倒片封裝【7】和硅通孔（TSV）【8】等封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為高速電信號傳輸提供支持。

【7】倒片封裝（Flip Chip）：一種通過將凸點(diǎn)朝下安裝于基板上，將芯片與基板連接的互連技術(shù)。

【8】硅通孔（TSV）：一種可完全穿過硅裸片或晶圓實(shí)現(xiàn)硅片堆疊的垂直互連通道。

▲圖4：半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢（來源：? HANOL出版社）

另一個發(fā)展趨勢是三維半導(dǎo)體堆疊技術(shù)，它促進(jìn)了半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的變革性發(fā)展。過去，一個封裝外殼內(nèi)僅包含一個芯片，而如今可采用多芯片封裝（MCP）和系統(tǒng)級封裝（SiP）【9】等技術(shù)，在一個封裝外殼內(nèi)堆疊多個芯片。

【9】系統(tǒng)級封裝（SiP）：一種將多個器件整合在單個封裝體內(nèi)構(gòu)成一個系統(tǒng)的封裝技術(shù)。

封裝技術(shù)還呈現(xiàn)半導(dǎo)體器件小型化的發(fā)展趨勢，即縮小產(chǎn)品尺寸。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品逐漸被用于移動甚至可穿戴產(chǎn)品，小型化成為客戶的一項(xiàng)重要需求。為了滿足這一需求，許多旨在減小封裝尺寸的技術(shù)隨之而誕生。

此外，半導(dǎo)體產(chǎn)品正越來越多地應(yīng)用于各種環(huán)境中。除了健身房、辦公室或住宅等日常環(huán)境，熱帶雨林、極地地區(qū)、深海甚至太空等環(huán)境中也能見到半導(dǎo)體的身影。由于封裝的基本作用是保護(hù)半導(dǎo)體芯片和器件，因此需要開發(fā)高度可靠的封裝技術(shù)，確保半導(dǎo)體產(chǎn)品在此類極端環(huán)境下也能正常工作。

最后，由于半導(dǎo)體封裝是最終產(chǎn)品，封裝技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，還要具有較低的制造成本。

除了上述旨在推進(jìn)封裝技術(shù)特定作用的發(fā)展趨勢，促使封裝技術(shù)發(fā)生演變的另一個驅(qū)動力是整個半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。在圖5中，紅色線條表示自20世紀(jì)70年代以來裝配過程中安裝的印刷電路板（PCB）【10】的特征尺寸變化情況，綠色線條則表示晶圓上CMOS晶體管的特征尺寸變化情況?？s小特征尺寸有助在印刷電路板和晶圓上繪制更小的圖案。

【10】印刷電路板（PCB）：由電路組成的半導(dǎo)體板，且元件焊接在電路板表面。這些電路板通常用于電子設(shè)備中。

▲圖5：隨著時(shí)間的推移，晶圓和 印刷電路板特征尺寸的變化情況（來源：? HANOL出版社）

20世紀(jì)70年代，印刷電路板與晶圓的特征尺寸差異較小。如今，晶圓正在步入量產(chǎn)階段，同時(shí)特征尺寸小于10納米（nm）的CMOS晶體管也在開發(fā)中，而印刷電路板的特征尺寸依然在100微米（um）的范圍。兩者特征尺寸的差距在過去幾十年里顯著擴(kuò)大。

由于主板以面板的形式制造，且受到成本節(jié)約策略等因素的影響，印刷電路板的特征尺寸變化不大。然而，隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步，CMOS晶體管的特征尺寸大幅縮小，這使得CMOS晶體管的尺寸與印刷電路板的尺寸差距逐漸拉大。但問題在于，半導(dǎo)體封裝技術(shù)需要對從晶圓上切割下來的芯片進(jìn)行個性化定制，并將其安裝到印刷電路板上，因此就需要彌補(bǔ)印刷電路板和晶圓之間的尺寸差距。過去，兩者在特征尺寸上的差異并不明顯，因而可以使用雙列直插式封裝（DIP）【11】或鋸齒型單列式封裝（ZIP）【12】等通孔技術(shù)，將半導(dǎo)體封裝引線插入印刷電路板插座內(nèi)。然而，隨著兩者特征尺寸差異不斷擴(kuò)大，就需要使用薄型小尺寸封裝（TSOP）等表面貼裝技術(shù)（SMT）【13】將引線固定在主板表面。隨后，球柵陣列（BGA）、倒片封裝、扇出型晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）【14】及硅通孔（TSV）等封裝技術(shù)相繼問世，以彌補(bǔ)晶圓和主板之間不斷擴(kuò)大的尺寸差異。

【11】雙列直插式封裝（DIP）：一種電氣連接引腳排列成兩行的封裝技術(shù)。

【12】鋸齒型單列式封裝（ZIP）：一種引腳排列成鋸齒型的封裝技術(shù)，是雙列直插式封裝的替代技術(shù)，可用于增加安裝密度。

【13】表面貼裝技術(shù)（SMT）：一種通過焊接將芯片安裝到系統(tǒng)板表面的封裝方法。

【14】晶圓級晶片尺寸封裝（WLCSP）：一種在晶圓級封裝集成電路的技術(shù)，是倒片封裝技術(shù)的一個變體。扇出型晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）的特點(diǎn)在于連接超出（“扇出”）芯片表面。

通過測試確保半導(dǎo)體封裝的有效性

可以通過兩種方法來開發(fā)半導(dǎo)體封裝并確保其有效性。第一種方法是利用現(xiàn)有封裝技術(shù)來創(chuàng)建適用于新開發(fā)半導(dǎo)體芯片的封裝，然后對封裝進(jìn)行評估。第二種方法是開發(fā)一種新的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，將其應(yīng)用于現(xiàn)有芯片上，并評估新封裝技術(shù)的有效性。

一般來說，新芯片的開發(fā)和新封裝技術(shù)的應(yīng)用不會同時(shí)進(jìn)行。原因在于，如果芯片和封裝均未經(jīng)過測試，那么一旦在封裝完成后出現(xiàn)問題，就很難確定問題的原因。鑒于此，業(yè)界會使用已知缺陷較少的現(xiàn)有量產(chǎn)芯片來測試新的封裝技術(shù)，以單獨(dú)驗(yàn)證封裝技術(shù)。在封裝技術(shù)得到驗(yàn)證后，才會將其應(yīng)用于新芯片的開發(fā)，進(jìn)而再生產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品。

圖6展示了針對新芯片的封裝技術(shù)開發(fā)流程。通常，在制造半導(dǎo)體產(chǎn)品時(shí)，芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)開發(fā)會同時(shí)進(jìn)行，以便對它們的特性進(jìn)行整體優(yōu)化。鑒于此，封裝部門會在芯片設(shè)計(jì)之前首先考慮芯片是否可封裝。在可行性研究期間，首先對封裝設(shè)計(jì)進(jìn)行粗略測試，以對電氣評估、熱評估和結(jié)構(gòu)評估進(jìn)行分析，從而避免在實(shí)際量產(chǎn)階段出現(xiàn)問題。在這種情況下，半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)是指基板或引線框架的布線設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@是將芯片安裝到主板的媒介。

封裝部門會根據(jù)封裝的臨時(shí)設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，向芯片設(shè)計(jì)人員提供有關(guān)封裝可行性的反饋。只有完成了封裝可行性研究，芯片設(shè)計(jì)才算完成。接下來是晶圓制造。在晶圓制造過程中，封裝部門會同步設(shè)計(jì)封裝生產(chǎn)所需的基板或引線框架，并由后段制造公司繼續(xù)完成生產(chǎn)。與此同時(shí)，封裝工藝會提前準(zhǔn)備到位，在完成晶圓測試并將其交付到封裝部門時(shí)，立即開始封裝生產(chǎn)。

▲圖6：半導(dǎo)體封裝技術(shù)的開發(fā)流程（來源：? HANOL出版社）

半導(dǎo)體產(chǎn)品必須進(jìn)行封裝，以檢測和驗(yàn)證其物理特性。同時(shí)，可通過可靠性測試等評估方法對設(shè)計(jì)和流程進(jìn)行檢驗(yàn)。如果特性和可靠性不理想，則需要確定原因，并在解決問題之后，再次重復(fù)封裝流程。最終，直到達(dá)成預(yù)期特性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，封裝開發(fā)工作才算完成。