24
?
談到我國半導(dǎo)體封裝業(yè)的起源，也許要從 1956 年我國第一只晶體管的誕生說起。半導(dǎo)體封裝與測試業(yè)是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，從某種意義上講，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是從封裝業(yè)開始起家的。???
???????????????????????
本期《趣科技》我們就來說說先進(jìn)封裝那些事。
半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展日新月異，在進(jìn)入先進(jìn)封裝的介紹前，我們先來看看半導(dǎo)體封裝技術(shù)的幾大發(fā)展階段：
- 20 世紀(jì) 70 年代，主要是通孔插裝型封裝。典型封裝形式有: 金屬圓形(TO 型) 封裝，陶瓷雙列直插封裝( CDIP) ，塑料雙列直插封裝( PDIP) 等；
- 20 世紀(jì) 80 年代，主要是表面貼裝型封裝。典型封裝形式有:塑料有引線片式載體封裝(PLCC) 、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP) 、塑料小外形封裝(PSoP) 、無引線四邊扁平封裝(PQFN) ；
- 20 世紀(jì) 90 年代，以焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、倒裝芯片互連為代表；
- 20 世紀(jì)初，以晶圓級(jí)封裝(WLP)、系統(tǒng)封裝(SiP)、晶圓減薄、封裝上封裝(POP)、晶圓級(jí)堆疊封裝(WSP)，方形扁平無引腳封裝(QFN)、SON、三維立體封裝(3D)為代表；
- 2010 年后，嵌入式硅器件、面對(duì)面互連、超薄封裝和穿透硅通孔(TSV)成為封裝時(shí)代的新寵。
如今摩爾定律是否會(huì)失效成為一個(gè)有爭議的話題，但是先進(jìn)封裝將是摩爾定律的核心驅(qū)動(dòng)力卻是一個(gè)公認(rèn)的結(jié)論。先進(jìn)封裝技術(shù)有哪些呢？它們背后又有何推動(dòng)力？
手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備推動(dòng)了芯片尺寸封裝（CSP）、堆疊芯片封裝以及多個(gè)封裝在一體的 PoP 封裝應(yīng)用；高性能處理器、芯片組推動(dòng)了倒裝芯片封裝（FC）；存儲(chǔ)器、集成無源器件、模擬器件和功率器件推動(dòng)了晶圓級(jí)封裝(WLP)的發(fā)展。先進(jìn)封裝發(fā)展動(dòng)力，即是芯片制造商希望能在更小的封裝內(nèi)集成更加強(qiáng)勁的性能。
Gartner 預(yù)測 2020 年全球封測市場可達(dá) 314.8 億美元。有一種說法，先進(jìn)封裝技術(shù)有兩大發(fā)展方向，一種是晶圓級(jí)芯片封裝(WLCSP，也叫 WLP），在更小的封裝面積下容納更多的引腳數(shù)；一種是系統(tǒng)級(jí)芯片封裝（SiP），該封裝整合多種功能芯片于一體，可壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性和靈活性。
晶圓級(jí)芯片封裝
晶圓級(jí)封裝主要分為 Fan-in 和 Fan-out 兩種。傳統(tǒng)的 WLP 封裝多采用 Fan-in 型態(tài)，應(yīng)用于低接腳（Pin）數(shù)的 IC。當(dāng)芯片面積縮小的同時(shí)，芯片可容納的引腳數(shù)減少，因此變化衍生出擴(kuò)散型（Fan-out）WLP 封裝形態(tài)，實(shí)現(xiàn)在芯片范圍外充分利用 RDL 做連接，以此獲取更多的引腳數(shù)。
傳統(tǒng)封裝技術(shù)中，晶圓成品被切割為單個(gè)芯片，隨后再被粘合并封裝。WLP 則是直接在晶圓的裸晶上進(jìn)行封裝，即保護(hù)層可以被接合到晶圓的頂部或底部，由此制備電連接，隨后再將晶圓分割為單個(gè)晶片。采用 WLP 的晶圓側(cè)面沒有被涂覆，封裝面積與芯片面積比為 1：1，而且標(biāo)準(zhǔn)工藝封裝成本低，便于晶圓級(jí)測試和老化。
WLCSP 是倒裝芯片互連技術(shù)的一個(gè)變種，自 1998 年可行性的 WLCSP 技術(shù)宣布以來，多見于強(qiáng)調(diào)輕薄短小特性的可攜式電子產(chǎn)品 IC 封裝應(yīng)用。
?
自從蘋果在 A10 處理器上采用了臺(tái)積電的 FOWLP 技術(shù)之后，大家都晶圓級(jí)封裝的關(guān)注度達(dá)到了空前的高度。FOWLP 就是衍生出的 Fan-out WLP（扇出型晶圓級(jí)封裝），在一個(gè)環(huán)氧行化合物（EMC）中嵌入每個(gè)裸片時(shí)，每個(gè)裸片間的空隙有一個(gè)額外的 I/O 連接點(diǎn)，這樣 I/O 數(shù)會(huì)更高并且的對(duì)硅利用率也有所提高，使互連密度最大化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。Fan-out 封裝最早在 2009~2010 年由 Intel Mobil 提出，僅用于手機(jī)基帶芯片封裝。
如今，伴隨 FOWLP 我們才有能力在這些模片上嵌入一些異構(gòu)設(shè)備，包括基帶處理器、射頻收發(fā)器和電源管理 IC，從而實(shí)現(xiàn)了最新一代的超薄可穿戴和移動(dòng)無線設(shè)備。因?yàn)槌掷m(xù)連接和節(jié)約的空間，F(xiàn)OWLP 有潛力適用于更高性能的設(shè)備，包括內(nèi)存和應(yīng)用處理器，F(xiàn)OWLP 也能夠應(yīng)用到新市場，包括汽車和醫(yī)療應(yīng)用甚至更多。FOWLP 并被預(yù)測會(huì)成為下一代緊湊型、高性能電子設(shè)備的基礎(chǔ)。
?
SiP
系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）是 IC 封裝領(lǐng)域的最高端的一種新型封裝技術(shù)，將一個(gè)或多個(gè) IC 芯片及被動(dòng)元件整合在一個(gè)封裝中。我們也可以這樣理解，當(dāng) FOWLP 在面積擴(kuò)展的同時(shí)也加了有源或無源器件以形成 SiP。下圖為 SiP 的封裝形式。
美國是率先開始系統(tǒng)級(jí)封裝研究的國家，早在 20 世紀(jì) 90 年代，即將 MCM 列為重點(diǎn)發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)之一。最早商業(yè)化的 SIP 模塊電路是手機(jī)中的功率放大器，這類模塊中可集成多頻功放、功率控制及收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)等功能。SiP 模塊廣泛應(yīng)用于無線通訊、汽車電子、醫(yī)療電子、計(jì)算機(jī)、軍用電子等領(lǐng)域， 無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用是最早的，也是最廣泛的。
?
?
在這里我們先來區(qū)分一下 SoC 與 SiP 有何不同：
-SoC 是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。
-SiP 是從封裝的立場出發(fā)，對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如 MEMS 或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。
SiP 封裝技術(shù)可以帶來的優(yōu)勢：
- 將不同用途的集成電路芯片以集成電路封裝手段進(jìn)行整合，可將原有的電子電路減少 70%~80%以上，整體硬件平臺(tái)的運(yùn)行功耗也會(huì)因?yàn)?PCB 電路板縮小而減少。產(chǎn)品在整體功耗、體積等方面獲得改善；
- 將原本離散的功能設(shè)計(jì)或元件整合在單一芯片內(nèi)，不僅可以避免設(shè)計(jì)方案被抄襲復(fù)制，也能透過多功能芯片整合的優(yōu)勢讓最終產(chǎn)品更具市場競爭力。
SIP 封裝技術(shù)采取多種裸芯片或模塊進(jìn)行排列組裝，若就排列方式進(jìn)行區(qū)分可大體分為平面式 2D 封裝和 3D 封裝的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于 2D 封裝，采用堆疊的 3D 封裝技術(shù)又可以增加使用晶圓或模塊的數(shù)量，從而在垂直方向上增加了可放置晶圓的層數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng) SIP 技術(shù)的功能整合能力。而內(nèi)部接合技術(shù)可以是單純的線鍵合（Wire Bonding），也可使用覆晶接合（Flip Chip），也可二者混用。除了 2D 與 3D 的封裝結(jié)構(gòu)外，還可以采用多功能性基板整合組件的方式。不同的芯片排列方式，與不同的內(nèi)部接合技術(shù)搭配，使 SIP 的封裝形態(tài)產(chǎn)生多樣化的組合，并可依照客戶或產(chǎn)品的需求加以客制化或彈性生產(chǎn)。
在 Apple watch 中可以看到 SiP 模塊，它將 AP、BB、WiFi、Bluetooth、PMU、MEMS 等功能芯片以及電阻、電容、電感、巴倫、濾波器等被動(dòng)器件都集成在一個(gè)封裝內(nèi)部，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。
先進(jìn)封裝是摩爾定律的重要助推力，對(duì)于企業(yè)而言，先進(jìn)封裝也是封裝業(yè)的產(chǎn)值提升的一大利器。
如果你對(duì)本系列感興趣，歡迎點(diǎn)擊《趣科技》繼續(xù)閱讀！
?
與非網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！
?
