半導體封裝工藝的四個等級和作用解析

半導體封裝工藝的四個等級

電子封裝技術與器件的硬件結構有關。這些硬件結構包括有源元件1（如半導體）和無源元件2（如電阻器和電容器3）。因此，電子封裝技術涵蓋的范圍較廣，可分為0級封裝到3級封裝等四個不同等級。圖1展示了半導體封裝工藝的整個流程。首先是0級封裝，負責將晶圓切割出來；其次是1級封裝，本質上是芯片級封裝；接著是2級封裝，負責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，在半導體行業，半導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現其特定功能的器件，就像半導體存儲器或邏輯半導體。

2無源元件：一種不具備放大或轉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4球和TSOP封裝中的引線5分別充當引腳，使封裝的芯片能夠與外部組件之間實現電氣和機械連接。

4錫（Solder）：一種低熔點金屬，支持電氣和機械鍵合。

5引線（Lead）：從電路或元件終端向外引出的導線，用于連接至電路板。

▲圖2：半導體封裝示例（來源：? HANOL出版社）

半導體封裝的作用

圖3展示了半導體封裝的四個主要作用，包括機械保護、電氣連接、機械連接和散熱。其中，半導體封裝的主要作用是通過將芯片和器件密封在環氧樹脂模塑料（EMC）等封裝材料中，保護它們免受物理性和化學性損壞。盡管半導體芯片由數百個晶圓工藝制成，用于實現各種功能，但主要材質是硅。硅像玻璃一樣，非常易碎。而通過眾多晶圓工藝形成的結構同樣容易受到物理性和化學性損壞。因此，封裝材料對于保護芯片至關重要。

▲圖3：半導體封裝的作用（來源：? HANOL出版社）

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

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

半導體封裝的發展趨勢

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

首先，由于散熱已經成為封裝工藝的一個重要因素，因此人們開發出了熱傳導6性能較好的材料和可有效散熱的封裝結構。

6熱傳導：指在不涉及物質轉移的情況下，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的封裝技術也成為了一種重要發展趨勢，因為封裝會限制半導體產品的速度。例如，將一個速度達每秒20千兆 (Gbps) 的半導體芯片或器件連接至僅支持每秒2千兆(Gbps) 的半導體封裝裝置時，系統感知到的半導體速度將為每秒2千兆 (Gbps)。由于連接至系統的電氣通路是在封裝中創建，因此無論芯片的速度有多快，半導體產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，還需要提升半導體封裝技術，從而提高傳輸速度。這尤其適用于人工智能技術和5G 無線通信技術。鑒于此，倒片封裝7和硅通孔（TSV）8等封裝技術應運而生，為高速電信號傳輸提供支持。

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

8硅通孔（TSV）：一種可完全穿過硅裸片或晶圓實現硅片堆疊的垂直互連通道。

▲圖4：半導體封裝技術的發展趨勢（來源：? HANOL出版社）

另一個發展趨勢是三維半導體堆疊技術，它促進了半導體封裝領域的變革性發展。過去，一個封裝外殼內僅包含一個芯片，而如今可采用多芯片封裝（MCP）和系統級封裝（SiP）9等技術，在一個封裝外殼內堆疊多個芯片。

9系統級封裝（SiP）：一種將多個器件整合在單個封裝體內構成一個系統的封裝技術。

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

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

最后，由于半導體封裝是最終產品，封裝技術不僅要實現預期功能，還要具有較低的制造成本。

除了上述旨在推進封裝技術特定作用的發展趨勢，促使封裝技術發生演變的另一個驅動力是整個半導體行業的發展。在圖5中，紅色線條表示自20世紀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。縮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備中。

▲圖5：隨著時間的推移，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，晶圓正在步入量產階段，同時特征尺寸小于10納米（nm）的CMOS晶體管也在開發中，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大。

由于主板以面板的形式制造，且受到成本節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，隨著光刻技術的進步，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，半導體封裝技術需要對從晶圓上切割下來的芯片進行個性化定制，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，將半導體封裝引線插入印刷電路板插座內。然而，隨著兩者特征尺寸差異不斷擴大，就需要使用薄型小尺寸封裝（TSOP）等表面貼裝技術（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）等封裝技術相繼問世，以彌補晶圓和主板之間不斷擴大的尺寸差異。

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。

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，是雙列直插式封裝的替代技術，可用于增加安裝密度。

13表面貼裝技術（SMT）：一種通過焊接將芯片安裝到系統板表面的封裝方法。

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，是倒片封裝技術的一個變體。扇出型晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）的特點在于連接超出（“扇出”）芯片表面。

通過測試確保半導體封裝的有效性

可以通過兩種方法來開發半導體封裝并確保其有效性。第一種方法是利用現有封裝技術來創建適用于新開發半導體芯片的封裝，然后對封裝進行評估。第二種方法是開發一種新的半導體封裝技術，將其應用于現有芯片上，并評估新封裝技術的有效性。

一般來說，新芯片的開發和新封裝技術的應用不會同時進行。原因在于，如果芯片和封裝均未經過測試，那么一旦在封裝完成后出現問題，就很難確定問題的原因。鑒于此，業界會使用已知缺陷較少的現有量產芯片來測試新的封裝技術，以單獨驗證封裝技術。在封裝技術得到驗證后，才會將其應用于新芯片的開發，進而再生產半導體產品。

圖6展示了針對新芯片的封裝技術開發流程。通常，在制造半導體產品時，芯片設計和封裝設計開發會同時進行，以便對它們的特性進行整體優化。鑒于此，封裝部門會在芯片設計之前首先考慮芯片是否可封裝。在可行性研究期間，首先對封裝設計進行粗略測試，以對電氣評估、熱評估和結構評估進行分析，從而避免在實際量產階段出現問題。在這種情況下，半導體封裝設計是指基板或引線框架的布線設計，因為這是將芯片安裝到主板的媒介。

封裝部門會根據封裝的臨時設計和分析結果，向芯片設計人員提供有關封裝可行性的反饋。只有完成了封裝可行性研究，芯片設計才算完成。接下來是晶圓制造。在晶圓制造過程中，封裝部門會同步設計封裝生產所需的基板或引線框架，并由后段制造公司繼續完成生產。與此同時，封裝工藝會提前準備到位，在完成晶圓測試并將其交付到封裝部門時，立即開始封裝生產。