半导体先进封装技术（各代半导体封装技术简介）

[{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"失效分析 赵工"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"#576b95"},"insert":"半导体工程师"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"2023-02-21 08:48"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"发表于北京"},{"insert":"\n\n"},{"attributes":{"size":"small"},"insert":"按照最终外形来看，现在有无数种封装方式，这个实在是太多了，比如 QFP,QFN,SOT,DIP,BGA 等等，所以我们今天不以这种方式介绍。所以现在按照封装的发展历史来介绍，以封装工艺的方式来分类。"},{"attributes":{"align":"justify","header":1},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202302/320d021fef4bad73.jpg"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"博捷芯精密晶圆切割机划片机"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"第 1 代封装：wire bond（俗称，打线）"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"这种封装方式是最早出现的，虽然是第一代技术，但是直到现在也有很多芯片使用这种方式来封装，就是因为技术成熟，成本低。最后封装成的模样就是这样子的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"\t"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"先聊一下这种封装流程"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"1切割"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在封装厂拿到 wafer 之后，先把 wafer 进行切割，得到一颗一颗的芯片，将那些 CP 测试（下一次我们再聊测试）通过的芯片单独拿出来。这里要说一个问题，一颗芯片从在没有做任何处理之前，那些引脚是长这个样子的，如下图左下角的方形图案（你先忽略那两个圆形的东西，后面我就知道那两个圆形是怎么来的了），这些引脚也有一个名字，叫做 pad。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"2固定在 lead frame 上"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"将芯片放到 lead frame 上，并且用银浆固化，其实就是将芯片和 lead frame 的底部粘住啦。lead frame 可以理解为引线框架，他是一个阵列结构，如下图"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"就是将芯片放到中间的凹槽，四周都是我们最终看到的引脚。在最终结束工艺之后，就把这些引脚“剪开”，然后掰弯，最终形成我们看到的样子。所以第二步完成之后，从侧面看的话是下图这个样子。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"这里要注意，就是芯片必须是正面朝向，当正面朝上的时候，pad 也是朝上的。lead frame 的引脚在两侧。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"3打线"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"用金线（或者是铜线，铝线）将芯片的 pad 和 lead frame 连接起来。线的种类会根据芯片的不同制程，或者是根据芯片 pad 的不同结构来决定使用金线或者是铜线。在打线时，先让金线在低端形成一个金球。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"然后将金球压倒芯片的 pad 上，然后通过施压压力或者改变温度来焊接到 pad 上，这就会在 pad 上形成一个圆点，上面第二张图中的圆点就是这么形成的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"然后将金线拉升，并且移动到 lead frame 上方。当然不要担心金线会断，因为金线不是固定长度。可以在上面自动生成金线。所以是这个样子的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"然后再将末端的金线压到 lead frame 上，再侧向划开，切断金线，所以会在 lead frame 上会形成切断金线后的鱼尾形状（我画不出鱼尾形状啦）。最终是这个样子。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"4注塑"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"也叫塑封。就是将连接好的芯片和 lead frame 放到模具中。然后将塑封材料灌进去。加热之后这些材料变成液体，再把芯片，金线和 lead frame 都包住。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"5包装"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"注塑完成后，工作就比较简单了，比如在芯片顶部打字，打 logo。除去 lead frame 上多余的塑封材料。在 lead frame 上电镀一层特殊材料，防止外部环境对于引脚的破坏（比如潮湿，高温等等）。最后将 lead frame 剪开，得到我们想要的引脚方式。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"上面这五部就是 wire bond 封装方式最简单的流程。这一套工艺在现代封装技术中已经很成熟了，成本也低。但是里面的很多细节还是比较关键的。比如这些制程里面对温度的控制，特别是在拉线过程中，金线的弧度，高度以及拉力，金球的大小等等。这些参数直接影响芯片的质量，甚至会使芯片无法使用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"第 1.5 代封装：CSP（Chipe-Size Package）"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在上面的 wire bond 中，有一个很大的问题，就是最终出来的芯片比实际的芯片要大很多，因为 lead frame 和芯片之间是有距离的。为了解决这个问题，人们发明了 CSP 封装技术。它的思想很简单，就是去掉 lead frame，用一块基板代替。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"基板的作用就是将导线从 pad 引过来之后，基板里面有自己的一些电路，将这些导线引到下面的焊接点上（焊接点也是球型）。这样就形成了外部电压通过焊接点，基板（导线）与芯片的 pad 交流。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"所以最终出现的芯片是这样的。当然下面的芯片有可能不是用这种方式封装，但是最终的样子是一样的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"第 2 代封装:flip chip（倒装封装）"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在聊完上面两种方式之后。我们会发现一个问题，不能批量化操作，也就是必须在晶圆切割成每个芯片之后才能封装，成本太高。为了解决这个问题，发明了 flip chip 这种方式。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"只所以叫做倒装，是因为在前面的封装方式中，芯片是正面朝上放到基板上面的。而 flip chip 是正面朝下放置。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"这种封装方式有一个特殊的工艺流程，就是 bump。大家可以理解为长金球（锡球）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"要想长金球，首先要做的就是重新布局芯片 pad 的的位置，利用和芯片制造中相同的后段技术，将边缘部位的 pad，安排到芯片中央来。这句话就是 bump 的核心目的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"大体思路就是将芯片的 pad 通过导线（红色）借接出来，然后在想要的位置上重新做一个 pad，实际图形长这样子，中间的哪些深色部分就是导线。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"大家可能会问，为什么不在芯片的 pad 上直接长锡球呢？因为当芯片的引脚太多时，直接长金球的方式危险系数会大大提高，很容出现两个引脚短接的情况。这样重新分配 pad 布局的过程叫做 RDL（re-distribution layer）。准确的说它是指连接新 pad 和旧 pad 的这一层，但是大家在使用的时候，就不再区分，直接把这个过程叫做 RDL。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"到这里之后，后面一步就是 bump，也就是长金球（锡球）。长金球的过程就不再多说了，和芯片制造工艺中的曝光，刻蚀差不多。最终形成的是这个样子。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"直到长完球（bump）之后，整个 wafer 还没有被切割，所以这些都是批量操作，成本特别低。这些操作完成后再进行晶圆级测试。也正是因为 bump 过程是在 wafer 上制作的，所以大家都把它叫做 WLCSP（wafer level CSP）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"测试完成之后再切割，把好的芯片拿出来。最后倒扣到基板上面。就这样，外部电压通过焊接点以及 bump 产生的球与芯片交流。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"这种封装方式，最省面积，封装出来的芯片大小和原始大小相差不大。所以这种方式也是比较主流的封装方式，一般用在高端产品上。在这一套流程中，bump 的过程是最为关键的，包括球的大小，导电性等等。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"第 3 代封装技术：InFO，HBM，CoWos"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"通过上面两代封装技术的发展，芯片封装技术已经可以满足大部分的需求了，但市场往往是解决一个需求之后，又会产生最新的需求。通过 flip chip 技术，我们解决了芯片封装的大小问题。但是这种技术随着 pin 角增多也会出现很多麻烦，主要有下面两个方面。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"1面积缩小，但是 pin 角增多"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"因为芯片在尽量缩小，pin 角在增多，芯片的面积已经不能装下这么多焊接点了。因为 flip chip 的封装方式是将所有的 pin 脚都集中在一颗芯片的下方，所以我们把这种方式另外取一个名字，叫做 FanIn 方式的封装，又叫扇入型封装方式。如下图"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"所以当 pin 角在增加的时候，芯片下面的面积根本不够摆放这么多焊接点"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"2时序要求高"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"高性能芯片需要多个芯片集成封装。现在高性能的芯片对于时序（Timing）的要求特别高，所以两颗芯片不能相距太远，这样的话会更利于两颗芯片进行信息交流，提高数据处理速度，降低发热。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"在这两个需求下，产生了 InFO（integrated Fan-out）的封装方式。我们先看 Fan-Out 是什么意思。上面我们了解了 FanIn,那 fanout 就是刚好反过来。它是把引脚的焊接点引到芯片的外部，如下图。这样的话，即使芯片的 pin 角增多，也不会带来上面的困扰。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"那 integrated 是什么意思呢？就是多个芯片集成封装。说白了，就是将多个芯片放在一起封装。将这两种技术合成在一起就是 InFO 封装方式。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"我自己画了一个图来向大家稍微介绍一下吧。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"假设有两个芯片，一个是逻辑芯片，一个是存储芯片。现在需要把这两个芯片封装在一起，而且这两个芯片的某些引脚是可以接在一起的。于是就运用了芯片制作里面的金属层布线的原理，在基板里面布线，然后将需要的连接在基板就完成，最后在基板的底部连接处焊接球。这样就可以达到，既可以将多个芯片封装在一起，也可以应付 pin 脚多的情况。上面这种两个芯片平行放置的方式较 Multi InFo 工艺。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"如果像上面这种，两个芯片是垂直放置，这种叫做 InFO-PoP 结构。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"很多人会问，这种封装方式不是面积增加了吗，毕竟占用了芯片以外的地方。其实从得到的好处来说，还是值的的。况且，InFo 的封装面积可能比各个分别封装的面积总和要少。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"现在这种封装技术只是使用在高端芯片中，比如苹果的 A12 等，普通芯片是享受不了这种待遇的，因为真的很贵。台积电封装业务的很大一部分盈利都是靠 InFO 来的。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"还有一种封装方式是叫 CoWos（Chip-on-Wafer-on-Substrate），是一种将芯片和硅片（基底）集成在一起的封装方式。这种封装方式只有台积电能做，而且是高度商业机密，技术不外露，所以我也知之甚少，在这里就不和大家介绍了。如果以后我了解到，再和大家更新。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"当然第三代封装技术还有 AMD 推出的 HBM 技术，美光的 HMC 技术，其实都是大同小异。这里也不做介绍了。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"来源：半导体封装工程师之家"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-0)"},"insert":"半导体工程师"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"}]