淺談半導體封裝技術和先進封裝技術解析

先進封裝的出現(xiàn)，讓業(yè)界看到了通過封裝技術推動芯片高密度集成、性能提升、體積微型化和成本下降的巨大潛力。隨著集成電路制造工藝沿著摩爾定律發(fā)展的步伐放緩，先進封裝技術正成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎。

1. 集成電路與封裝的發(fā)展

芯片由集成電路裸片（Die）與外圍封裝結構組成，二者共同決定了芯片的性能。國際半導體技術路線圖（ITRS）指出，集成電路技術會沿More Moore（延續(xù)摩爾定律）和More than Moore（拓展摩爾定律）兩個方向發(fā)展。延續(xù)摩爾定律的技術路線主要關注減小晶體管尺寸、增加集成電路密度；而拓展摩爾定律技術路線則更關注利用封裝技術提高芯片和系統(tǒng)的集成度。

隨著先進制程逐漸向原子尺寸逼近，短溝道效應和量子隧穿效應使晶體管的制造難度呈指數(shù)級增加。并且，隨著制程提高，整體成本會大幅增加，5nm芯片設計成本已經(jīng)是28nm芯片的8倍，這對于多數(shù)企業(yè)是難以承受的?？v觀全世界，僅有臺積電、三星和英特爾具備7nm制程工藝且有實力向3nm、2nm發(fā)展。因此，通過封裝技術降低成本，將系統(tǒng)微型化、多功能化成為芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎動力。

圖1 芯片結構示意圖

2. 半導體封裝技術

封裝是將集成電路芯片包封在某一標準組件中的方法、結構和工藝，具有保護、固定、密封以及增強芯片電熱性能的作用，是連接芯片與系統(tǒng)的橋梁，封裝后的芯片可作為標準組件安裝在印刷電路板（PCB）上實現(xiàn)應用。

圖2 芯片封裝示意圖

隨著半導體工藝的發(fā)展，芯片引腳數(shù)逐漸增加，封裝形式也由傳統(tǒng)封裝（引線框架作為載體，采用引線鍵合互連）向先進封裝發(fā)展。在單芯片封裝方面，先進封裝較傳統(tǒng)封裝提升了芯片的集成密度和電氣互聯(lián)速度，降低了設計門檻，優(yōu)化了功能搭配的靈活性。隨著封裝形式的多樣化、組合化發(fā)展，先進封裝不僅指單芯片封裝，還包括將至少兩顆以上芯片集成在一起的系統(tǒng)級封裝（SiP）。

圖3 芯片封裝技術的發(fā)展（來源：yole）

表1 傳統(tǒng)封裝與先進封裝

圖4 單芯片封裝與系統(tǒng)極封裝（SiP）

3. 先進封裝技術解析

目前，先進封裝包含的代表技術包括倒裝芯片技術（Flip Chip）、硅通孔技術（TSV）、晶圓級封裝（WLP）、系統(tǒng)級封裝（SiP）技術。

倒裝芯片技術（Flip Chip）

Flip Chip是將芯片通過bump（凸點結構）直接與封裝基板上的接口進行連接。

圖5 Flip Chip示意圖

相比傳統(tǒng)引線鍵合封裝，倒裝主要有如下優(yōu)勢：1）性能方面，可減少引線帶來的寄生電容，有利于提高頻率、改善電學及熱學性能；2）經(jīng)濟性方面，工藝簡單，成本較低；3）空間方面，減小封裝體積，使封裝成品與芯片尺寸相當，實現(xiàn)芯片尺寸封裝（Chip-Size Packaging，CSP）。

硅通孔技術（TSV）

TSV（Through Silicon Via， 硅通孔）技術主要用于立體封裝，在垂直方向為芯片提供電氣延伸和互連。按照集成類型的不同TSV分為2.5D和3D，2.5D通孔位于中介層，而3D通孔貫穿芯片本身，直接連接上下層芯片。

3D TSV技術使上下兩片結構相同的芯片直接連接，從而實現(xiàn)大帶寬、低時延的數(shù)據(jù)傳輸。這一特性與存儲芯片的需求極度匹配，可提高存儲芯片間的傳輸速度并降低功耗，已被大量應用于高端Flash和DRAM堆疊中。

2.5D TSV技術可以為同一封裝體內的多個芯片提供大帶寬、低時延的數(shù)據(jù)傳輸，與3D TSV結合的封裝方式，已被大量應用于CPU、GPC當中。

圖6 TSV技術示意圖

晶圓級封裝（WLP）

傳統(tǒng)封裝工藝是先將晶圓切割為裸片再進行封裝，而晶圓級封裝是先進行封裝再切割。晶圓級封裝能明顯縮小芯片封裝后的尺寸，還能提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c穩(wěn)定性，被廣泛應用于消費電子芯片。

RDL（ReDistribution Layer）重布線層作為晶圓級封裝中的核心技術，起著XY平面電氣延伸和互聯(lián)的作用。在芯片設計和制造時，IO端口一般分布在芯片的邊沿或者四周，為了便于與外界相連，需要在晶圓表面沉積金屬層和相應的介質層，并形成金屬布線，將IO端口重新排布到位置較寬松的區(qū)域，并形成面陣列排布。

圖7 RDL技術示意圖

系統(tǒng)級封裝（SiP）

SiP（System in Package，系統(tǒng)級封裝）將多個具有不同功能的有源電子元件（通常是裸芯片）、無源器件及其他器件（MEMS或光學器件等）構成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)，并將多個系統(tǒng)組裝到一個封裝體內部，使其成為具有一定功能的單體封裝件。從連接方式上看，倒裝（FC）、重布線（RDL）和嵌入式（Embedded Die）是實現(xiàn)SiP的三條常見技術路線。

Chiplet技術是如今被廣泛研究的SiP技術，它將單顆芯片的各功能區(qū)分解成多顆獨立的芯片，并通過封裝技術重新組成一個完整的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單一芯片相比，采用Chiplet技術的單顆芯片面積較小，可提高制造良率和實現(xiàn)異構集成。

圖8 Chiplet技術示意圖

4. 先進封裝的應用案例

半導體行業(yè)已經(jīng)基本實現(xiàn)分工精細化，產(chǎn)業(yè)鏈主要由設計、生產(chǎn)、封測等環(huán)節(jié)組成。先進封裝推動前后道工藝相互滲透融合，具有較高技術壁壘和技術積累的廠商會向上下游工序延伸。如今，前、后道的頭部廠商憑借各自優(yōu)勢入局，成為先進封裝行業(yè)的主力軍，其中，前道主要有英特爾、三星、臺積電，后道主要有日月光、安靠、長電科技等。

以英特爾為例，作為IDM代表性企業(yè)，在先進封裝領域也不斷推陳出新，而先進封裝也是英特爾IDM2.0計劃的關鍵點之一［7］（圖11）。2017年，英特爾推出的EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge 嵌入式多核心互聯(lián)橋接）是其推進先進封裝的重要一步。EMIB封裝技術可以根據(jù)需要將CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封裝到一起，能夠把10nm、14nm、22nm等多種不同工藝的芯片封裝在一起做成單一芯片，適應靈活的業(yè)務的需求。2019年，英特爾推出Foveros技術，開始將芯片豎直堆疊，進行橫向和縱向之間的互連，一定意義上實現(xiàn)了3D堆疊。緊接著，在2019年的SEMICON West上，英特爾又將EMIB與Foveros技術結合。

圖9 英特爾先進封裝技術 （來源：英特爾官網(wǎng)）

總結

當前半導體領域處于高速發(fā)展的新階段，先進封裝是后摩爾時代系統(tǒng)集成與功能融合的關鍵路徑，成為芯片制造與封裝企業(yè)的新賽道，國內企業(yè)需抓住機會，在不斷追趕國際半導體制造先進制程的同時，大力發(fā)展先進封裝技術，在芯片制造領域縮短與世界領先水平的距離。