從傳統封裝技術到先進封裝技術

2021-03-02

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積體電路封裝技術的發展是伴隨著積體電路晶片的發展而發展起來的,通常而言,“一代晶片需要一代封裝”。封裝的發展史也是晶片性能不斷提高、系統不斷小型化的歷史。隨著積體電路器件尺寸的縮小和運行速度的提高,對積體電路也提出新的更高要求。

      
回顧封裝產業發展歷程,我們按照封裝技術進程,以 2000年為節點,將封裝產業分為傳統封裝階段和先進封裝階段。

    
傳統封裝:
傳統封裝技術發展又可細分為三階段。其特點可總結如下,技術上:To-DIPLCC-QFP-BGA-CSP;引腳形狀:長引線直插-短引線或無引線貼裝-球狀凸點焊接;裝配方式:通孔封裝-表面安裝-直接安裝;鍵合方式:引線連接-焊錫球連接。

    
階段一(1980以前):通孔插裝(Through Hole,TH)時代,其特點是插孔安裝到PCB上,引腳數小於 64,節距固定,最大安裝密度10引腳/cm2,以金屬圓形封裝(TO)和雙列直插封裝(DIP)為代表;

    
階段二(1980-1990):表面貼裝(Surface Mount,SMT)時代,其特點是引線代替針腳,引線為翼形或丁形,兩邊或四邊引出,節距1.27-0.44mm,適合3-300條引線,安裝密度10-50引腳/cm2,以小外形封裝(SOP)和四邊引腳扁平封裝(QFP)為代表;

    
階段三(1990-2000):面積陣列封裝時代,在單一晶片工藝上,以焊球陣列封裝(BGA)和晶片尺寸封裝(CSP)為代表,採用“焊球”代替“引腳”,且晶片與系統之間連接距離大大縮短。在模式演變上,以多晶片組件(MCM)為代表,實現將多晶片在高密度多層互聯基板上用表面貼裝技術組裝成多樣電子元件、子系統。

   
先進封裝:

自20世紀90年代中期開始,基於系統產品不斷多功能化的需求,同時也由於CSP封裝、積層式多層基板技術的引進,積體電路封測產業邁入三維疊層封裝(3D)時代。具體特徵表現為:(1)封裝元件概念演變為封裝系統;(2)單晶片向多晶片發展;(3)平面封裝(MCM)向立體封裝(3D)發展(4)倒裝連接、TSV 矽通孔連接成為主要鍵合方式。具體的先進封裝囊括倒裝、晶圓級封裝以及POP/Sip/TSV等立體式封裝技術,其特徵分述如下:
3D封裝技術:MCM技術集成多個積體電路晶片實現封裝產品在面積上的集成,那麼讓晶片集成實現縱向上的集成則是3D封裝技術的主要功效。3D封裝可以通過兩種方式實現:封裝內的裸片堆疊和封裝堆疊。封裝堆疊又可分為封裝內的封裝堆疊和封裝間的封裝堆疊。3D封裝會綜合使用倒裝、晶圓級封裝以及POP/Sip/TSV等立體式封裝技術,其發展共劃分為三個階段:第一階段採用引線和倒裝晶片鍵合技術堆疊晶片;第二階段採用封裝體堆疊(POP);第三階段採用矽通孔技術實現晶片堆疊。

     
倒裝晶片技術(Flip Chip,FC)不是特定的封裝類型,而是一種管芯與封裝載體的電路互聯技術,是引線鍵合技術(Wire Bond,WB)和載帶自動鍵合技術(Tape Automated Bonding,TAB)發展後的更高級連接技術。WB與TAB的晶片焊盤限制在晶片四周,而FC則將裸晶片面朝下,將整個晶片面積與基板直接連接,省掉了互聯引線,具備更好的電氣性能。

晶圓級封裝技術(Wafer Level Package,WLP)技術是在市場不斷追求小型化下,倒裝技術與SMT和BGA結合的產物,是一種經過改進和提高的CSP。圓片級封裝與傳統封裝方式(先切割再封測,封裝後面積至少>20%原晶片面積)有很大區別,WLP技術先在整片晶圓上同時對眾多晶片進行封裝、測試,最後切割成單個器件,並直接貼裝到基板或PCB上,因此封裝後的體積等於晶片原尺寸,生產成本也大幅降低。WLP又可稱為標準WLP(fanin WLP),隨後又演化出擴散式WLP(fan-out WLP),是基於晶圓重構技術,將晶片重新佈置到一塊人工晶圓上,然後按照與標準WLP工藝蕾絲步驟進行封裝。

     
堆疊封裝(Package on Package,PoP)屬於封裝外封裝,是指縱向排列的邏輯和儲存元器件的積體電路封裝形式,它採用兩個或兩個以上的BGA堆疊,一般強抗下邏輯運算位於底部,儲存元器件位於上部,用焊球將兩個封裝結合,主要用於製造高級可擕式設備和智慧手機使用的先進移動通訊平臺。

     
矽通孔技術(TSV,Through-Silicon-Via)也是一種電路互聯技術,它通過在晶片和晶片之間、晶圓和晶圓之間製作垂直導通,實現晶片之間互連。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術不同,TSV能夠使晶片在三維方向堆疊的密度最大,外形尺寸最小,並且大大改善晶片速度和低功耗的性能。TSV是2.5D和3D封裝的關鍵技術。

     
系統級封裝技術(System in a Package,SiP)是將多種功能晶片,包括處理器、記憶體等功能晶片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能。與系統級晶片(System On a Chip,SoC)相對應。不同的是系統級封裝是採用不同晶片進行並排或疊加的封裝方式,而 SOC則是高度集成的晶片產品。