写给小白的芯片封装入门科普

从今天开始，我们就来谈谈芯片封装和测试(通常简称“封装测试” ）。

这个部分，在业界也被称为后道。（ Back End）工艺，通常由OSAT封装测试厂组成（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，负责包装半导体封装和测试)。

封装的目的

先讲封装。

事实上，每个人都经常听到“封装”这个词。这主要是指将晶圆上的裸芯片(晶体)转化为最终成品芯片的过程。

为什么要做封装，主要有两个目的。

一是保护弱晶体，避免物理磕碰损伤，同时防止软晶体受损。 气体中的杂质 腐蚀晶体的电路。

第二，使芯片更加适应使用场景的需要。

芯片的使用场景很多。不同的场景对芯片的外观有不同的要求。适当的包装可以使芯片工作得更好。

在日常生活中，我们会看到许多外观的芯片，实际上是不同类型的封装。

包装开发阶段

随着芯片的出现，封装工艺至今已有70多年的历史。

总体而言，封装工艺共经历了五个发展阶段：

下一步，我们一个接一个地说。

传统封装

最早的晶体管，采用TO(晶体管封装)。此后，DIP发展起来（ 双排直插封装)。

TO封装是我们最熟悉的三极管造型。

再之后， SOP是由PHILIP公司开发的(小外观) 封装 ），并且逐渐派生出SOJ(J型引脚小外形封装)、TSOP(薄小的外形封装)、VSOP(甚小的外形封装)、SSOP(缩小SOP)、TSSOP(薄型SOP)和SOT(小型晶体管)、SOIC(小型集成电路)等。

内部结构DIP

一、二阶段(1960-1990年)封装，采用埋孔插装式封装类封装。（THP）以及表面贴装类封装（SMP）为主， 属于传统封装。

常规封装，主要依靠导线将晶体与外界建立电气连接。

到目前为止，这些传统包装仍然相当普遍。特别是一些老式的经典芯片，对性能和体积要求较低，仍然会采用这种低成本的包装方式。

第三阶段(1990-2000年)，随着IT技术革命的加速普及，芯片功能越来越复杂，需要更多的针角。电子设备微型化，芯片体积需要继续缩小。

这时， BGA（ 球型矩阵、 球栅阵型） 包装开始出现，成为主流。

BGA仍然是一个传统的包装。其接脚位于芯片下方，数量众多，尤其适用于需要大量接触的芯片。此外，与DIP相比，BGA体积更紧凑，特别适合需要微型设备。

BGA封装

内部BGA封装

与BGA有些相似，还有LGA(平面网格列阵封装 ）和PGA（ 插针网格列阵封装)。每个人都应该注意到，我们最熟悉的CPU，就是这三种封装。

先进封装

20世纪末，芯片级封装（ CSP）、晶圆级封装（WLP）、 倒装封装 （Flip Chip ）开始逐步崛起。传统的封装逐渐演变成先进的封装。

与BGA这种封装相比， 芯片级封装（ CSP）更加注重尺寸的微型化(包装面积不超过芯片面积的1.2倍)。

包装级别(来自) Skhynix）

晶片级封装是一种芯片级封装，封装尺寸接近裸芯片大小。

下一期我们讲具体工艺时，会提到封装涵盖了一种切割工艺。 传统的封装，首先要切割晶圆，然后再封装。而且晶圆级封装，首先要封装，然后切割晶圆，工艺不同。

晶圆级封装

倒装封装 （Flip Chip ）这是一项早期发明。IBM在20世纪60年代创造了这项技术。但直到20世纪90年代，这项技术才开始普及。

选择倒装封装，即不再用金属丝连接，而是将晶圆直接反过来，通过晶圆上的突点。（ Bump），电气连接到基板上。

与传统的金属丝法相比，倒装封装的I/O(输入/导出)通道数量较多，互连长度缩短，电气性能较好。另外，在散热和封装尺寸方面，倒装封装也有优点。

高级封装的出现，迎合了当时时代发展的需要。

采用先进的设计与工艺，对芯片进行封装级重构，带来更多的引脚数量，体积更小，系统集成度更高， 系统的性能可以大大提高。

进入21世纪后，随着移动通信和互联网革命的进一步爆发，芯片封装进一步向高性能发展， 小型化、低成本、高可靠性等方面的发展。先进的封装技术正式进入快速发展阶段。

在此期间，芯片内部布局开始从二维到三维空间的发展(将多个晶体塞在一起)，接连出现 2.5D/3D封装、 硅通孔（TSV）、重布线层（RDL）、扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）晶圆级封装，系统级封装，（SiP）等待先进技术。

随着芯片工艺的发展逐渐触及摩尔定律的底线，这些先进的封装技术，成为持续摩尔定律的“救命稻草”。

先进封装的核心技术

2.5D/3D封装

2.5D和3D封装，都是对的， 对芯片进行堆叠封装。

2.5D封装技术，可将两种或两种以上的芯片放入单个封装，同时使信号横着传输，这能提高封装的尺寸和性能。

最为广泛使用的2.5D封装方法是通过硅中介层进行封装（ Interposer）将内存和逻辑芯片(GPU或CPU等)放入单个封装中。

硅通孔需要使用2.5D封装（TSV ）、重布线层（RDL ）、核心技术，如微型沉孔。

3D封装位于同一封装体内，竖直方向多种芯片封装技术的叠放。

2.5D和3D封装的主要区别在于：

2.5D封装，是在Interposer中进行布线和打孔。而且3D封装，就是直接从芯片上打孔和布线，连接上下芯片堆叠。相对而言，3D封装要求更高，难度更大。

FLASH存储器2.5D和3D封装起源（NOR/NAND ）需要SDRAM。著名的HBM（High Bandwidth Memory， 高带宽存储器)， 典型的2.5D和3D封装应用。整合HBM和GPU，可以进一步发挥GPU的性能。

HBM，对GPU非常重要，对AI也非常重要。

通过硅通孔等先进的封装工艺，HBM将多个DRAM垂直堆叠，并将GPU封装在Interposer上。HBM内部的DRAM堆叠，属于3D封装。而且HBM和GPU封装在Interposer上，属于2.5D封装。

现在业内许多厂商都推出了新技术，例如 CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等，都是由 从2.5D和3D封装演变而来。

系统级封装（SiP）

每个人都应该听说过SoC （System on Chip， 系统级芯片)。SoC芯片是我们手机中的主要芯片。

SoC，简单来说，就是在一个单一的芯片中整合设计几个功能不同的芯片。这样可以最大限度的缩小体积，实现高度集成。

但是，SoC的设计非常困难， 与此同时，还需要获得其它制造商的IP（intellectual property）授权，增加成本。

SiP（System In Packet，与SoC不同的是，系统级封装。

SiP直接使用多个芯片， 并列或叠加方式(2.5D/3D封装)，封装在一个单一的封装体内。

尽管SiP的集成度没有SoC高，但是也足够了，还可以减小尺寸，主要是更加灵活，成本更低。（ 避免了繁琐的IP授权步骤)。

Chiplet(业内常说的) 芯片，小芯片)，实际上是SiP的想法， 一种符合特定功能的裸片类型（ die），通过die-to-内部互联技术die，互联形成大芯片。

硅通孔（TSV）

前面反复提到硅通孔。（ through silicon via，TSV，又叫硅穿孔 ）。

所谓的硅通孔，其实原理也很简单，就是在硅介质层上 蚀刻垂直埋孔，并填充金属，实现上下两层的垂直连接，从而实现电气连接。

由于垂直互连线的距离最短，强度更高，硅通孔可以更容易地实现微型化、高密度、高性能等优点，特别适合叠加封装(3D封装)。

下次我们将介绍硅通孔的实际工艺。

重布线层（RDL）

RDL是将金属层和相应的介电层沉积在芯片表面，形成金属导线，重新设计IO端口到一个新的、更宽敞的区域，形成表面阵型布局，实现芯片与基板的连接。

RDL技术

说白了就是再次连接硅介质层，保证上下两层的电连接。在3D封装中，如果不同类型的芯片堆叠在上下(接口不对齐)，则需要通过 RDL重布线层，对准上下芯片IO。

假设TSV完成了Z平面的延伸，那么，重布线层（RDL）该技术完成了X-Y平面的延伸。WLCSPP等行业的许多技术、FOWLP、INFO、FOPLP、以RDL技术为中心的EMIB等。

扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）晶圆级封装

WLP(晶圆级封装)可分为扇入型晶圆级封装（Fan-In WLP）和扇形晶圆级封装（Fan-Out WLP）两大类。

风扇直接从晶圆中封装，封装后切割，走线全部在芯片尺寸内进行，封装尺寸与芯片尺寸相同。

扇形是基于晶圆重构技术，切割后的芯片再次布局在人工载板上。然后，进行晶圆级封装，最后切割。在芯片内部和芯片外部，可以获得的封装面积一般大于芯片面积，但可以提供的IO数量增加。

扇出型产品是目前量产最多的产品。

上面，小枣君尽量简单地介绍一些封装背景知识。

下一期，我将开始介绍封装的主要工艺。请注意！

参考文献：

1、半导体封装工程师世家《芯片制造全过程》；

2、《 一篇文章阅读芯片生产过程，Eleanor羊绒衫；

3.、《 要看芯片制造的全过程，射频学校；

4、《 先进封装是什么？与传统封装有何不同？怎样分类？” 赵工失效分析工程师；

5、《 本文了解了先进封装的倒装芯片(FlipChip)技术》， 圆圆的，半导体全解；

6、《 本文了解硅通孔(TSV)及玻璃通孔(TGV)技术，圆圆的，半导体全解；

7、《 国金证券、国金证券、国金证券、国金证券、国金证券等先进封装发展的条件已经具备；

8、《 民生证券，Chiplet先进封装大放异彩；

9、维基百科，百科，各厂商官网。

本文来自微信微信官方账号“鲜枣课堂”（ID：xzclasscom），作者：小枣君，36氪经授权发布。

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