谈到我国半导体封装业的起源,也许要从 1956 年我国第一只晶体管的诞生说起。半导体封装与测试业是中国半导体产业的重要组成部分,从某种意义上讲,我国半导体产业是从封装业开始起家的。   

                       

本期《趣科技》我们就来说说先进封装那些事。

 

半导体封装技术的发展日新月异,在进入先进封装的介绍前,我们先来看看半导体封装技术的几大发展阶段:

- 20 世纪 70 年代,主要是通孔插装型封装。典型封装形式有: 金属圆形(TO 型) 封装,陶瓷双列直插封装( CDIP) ,塑料双列直插封装( PDIP) 等;

- 20 世纪 80 年代,主要是表面贴装型封装。典型封装形式有:塑料有引线片式载体封装(PLCC) 、塑料四边引线扁平封装(PQFP) 、塑料小外形封装(PSoP) 、无引线四边扁平封装(PQFN) ;

- 20 世纪 90 年代,以焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、倒装芯片互连为代表;

- 20 世纪初,以晶圆级封装(WLP)、系统封装(SiP)、晶圆减薄、封装上封装(POP)、晶圆级堆叠封装(WSP),方形扁平无引脚封装(QFN)、SON、三维立体封装(3D)为代表;

- 2010 年后,嵌入式硅器件、面对面互连、超薄封装和穿透硅通孔(TSV)成为封装时代的新宠。

 

如今摩尔定律是否会失效成为一个有争议的话题,但是先进封装将是摩尔定律的核心驱动力却是一个公认的结论。先进封装技术有哪些呢?它们背后又有何推动力?

 

手机等移动设备推动了芯片尺寸封装(CSP)、堆叠芯片封装以及多个封装在一体的 PoP 封装应用;高性能处理器、芯片组推动了倒装芯片封装(FC);存储器、集成无源器件、模拟器件和功率器件推动了晶圆级封装(WLP)的发展。先进封装发展动力,即是芯片制造商希望能在更小的封装内集成更加强劲的性能。

 

Gartner 预测 2020 年全球封测市场可达 314.8 亿美元。有一种说法,先进封装技术有两大发展方向,一种是晶圆级芯片封装(WLCSP,也叫 WLP),在更小的封装面积下容纳更多的引脚数;一种是系统级芯片封装(SiP),该封装整合多种功能芯片于一体,可压缩模块体积,提升芯片系统整体功能性和灵活性。

 

晶圆级芯片封装

晶圆级封装主要分为 Fan-in 和 Fan-out 两种。传统的 WLP 封装多采用 Fan-in 型态,应用于低接脚(Pin)数的 IC。当芯片面积缩小的同时,芯片可容纳的引脚数减少,因此变化衍生出扩散型(Fan-out)WLP 封装形态,实现在芯片范围外充分利用 RDL 做连接,以此获取更多的引脚数。



传统封装技术中,晶圆成品被切割为单个芯片,随后再被粘合并封装。WLP 则是直接在晶圆的裸晶上进行封装,即保护层可以被接合到晶圆的顶部或底部,由此制备电连接,随后再将晶圆分割为单个晶片。采用 WLP 的晶圆侧面没有被涂覆,封装面积与芯片面积比为 1:1,而且标准工艺封装成本低,便于晶圆级测试和老化。

 

WLCSP 是倒装芯片互连技术的一个变种,自 1998 年可行性的 WLCSP 技术宣布以来,多见于强调轻薄短小特性的可携式电子产品 IC 封装应用。

 

 

 

自从苹果在 A10 处理器上采用了台积电的 FOWLP 技术之后,大家都晶圆级封装的关注度达到了空前的高度。FOWLP 就是衍生出的 Fan-out WLP(扇出型晶圆级封装),在一个环氧行化合物(EMC)中嵌入每个裸片时,每个裸片间的空隙有一个额外的 I/O 连接点,这样 I/O 数会更高并且的对硅利用率也有所提高,使互连密度最大化,同时实现高带宽数据传输。Fan-out 封装最早在 2009~2010 年由 Intel Mobil 提出,仅用于手机基带芯片封装。

 

 

如今,伴随 FOWLP 我们才有能力在这些模片上嵌入一些异构设备,包括基带处理器、射频收发器和电源管理 IC,从而实现了最新一代的超薄可穿戴和移动无线设备。因为持续连接和节约的空间,FOWLP 有潜力适用于更高性能的设备,包括内存和应用处理器,FOWLP 也能够应用到新市场,包括汽车和医疗应用甚至更多。FOWLP 并被预测会成为下一代紧凑型、高性能电子设备的基础。

 

 

SiP

系统级封装(SiP)是 IC 封装领域的最高端的一种新型封装技术,将一个或多个 IC 芯片及被动元件整合在一个封装中。我们也可以这样理解,当 FOWLP 在面积扩展的同时也加了有源或无源器件以形成 SiP。下图为 SiP 的封装形式。

 


美国是率先开始系统级封装研究的国家,早在 20 世纪 90 年代,即将 MCM 列为重点发展的十大军民两用高新技术之一。最早商业化的 SIP 模块电路是手机中的功率放大器,这类模块中可集成多频功放、功率控制及收发转换开关等功能。SiP 模块广泛应用于无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等领域, 无线通信领域的应用是最早的,也是最广泛的。


 

在这里我们先来区分一下 SoC 与 SiP 有何不同:

-SoC 是从设计的角度出发,是将系统所需的组件高度集成到一块芯片上。


-SiP 是从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如 MEMS 或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件。

 

SiP 封装技术可以带来的优势:

- 将不同用途的集成电路芯片以集成电路封装手段进行整合,可将原有的电子电路减少 70%~80%以上,整体硬件平台的运行功耗也会因为 PCB 电路板缩小而减少。产品在整体功耗、体积等方面获得改善;

- 将原本离散的功能设计或元件整合在单一芯片内,不仅可以避免设计方案被抄袭复制,也能透过多功能芯片整合的优势让最终产品更具市场竞争力。


SIP 封装技术采取多种裸芯片或模块进行排列组装,若就排列方式进行区分可大体分为平面式 2D 封装和 3D 封装的结构。相对于 2D 封装,采用堆叠的 3D 封装技术又可以增加使用晶圆或模块的数量,从而在垂直方向上增加了可放置晶圆的层数,进一步增强 SIP 技术的功能整合能力。而内部接合技术可以是单纯的线键合(Wire Bonding),也可使用覆晶接合(Flip Chip),也可二者混用。除了 2D 与 3D 的封装结构外,还可以采用多功能性基板整合组件的方式。不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使 SIP 的封装形态产生多样化的组合,并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。

 

 

在 Apple watch 中可以看到 SiP 模块,它将 AP、BB、WiFi、Bluetooth、PMU、MEMS 等功能芯片以及电阻、电容、电感、巴伦、滤波器等被动器件都集成在一个封装内部,形成一个完整的系统。

 

 

先进封装是摩尔定律的重要助推力,对于企业而言,先进封装也是封装业的产值提升的一大利器。

 

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