浅谈半导体封装技术和先进封装技术解析论文（浅谈半导体封装技术和先进封装技术解析）

先进封装的出现，让业界看到了通过封装技术促进芯片高密度集成、性能提升、体积微型化和成本降低的巨大潜力。随着集成电路制造工艺沿着摩尔定律发展的步伐放缓，先进封装技术正在成为集成电路产业发展的新引擎。

1、集成电路及封装发展

芯片由集成电路管芯（Die）和外围封装结构组成，它们共同决定了芯片的性能。国际半导体技术路线图（ITRS）指出，集成电路技术将向两个方向发展：More Moore（摩尔定律的延续）和More than Moore（摩尔定律的扩展）。延续摩尔定律的技术路线主要集中在缩小晶体管的尺寸和提高集成电路的密度；而拓展摩尔定律的技术路线则更侧重于利用封装技术来提高芯片与系统的集成度。

随着先进工艺逐渐接近原子尺寸，短沟道效应和量子隧道效应使晶体管的制造难度成倍增加。而且，随着制造工艺的改进，整体成本也会大幅增加。 5nm芯片的设计成本已经是28nm芯片的8倍，这对于大多数公司来说是难以承受的。纵观全球，只有台积电、三星和英特尔拥有7nm制程技术，并有能力向3nm、2nm发展。因此，通过封装技术降低成本以及系统的小型化和多功能化已成为芯片产业发展的新引擎。

图1 芯片结构示意图

2、半导体封装技术

封装是将集成电路芯片封装在一定标准元件中的方法、结构和过程。具有保护、固定、密封以及增强芯片电性能和热性能的作用。它是连接芯片和系统的桥梁。封装后的芯片可以作为标准元件安装在印刷电路板（PCB）上来实现应用。

图2 芯片封装示意图

随着半导体技术的发展，芯片引脚数量逐渐增多，封装形式也从传统封装（引线框架为载体，采用引线键合互连）发展到先进封装。在单芯片封装方面，先进封装较传统封装提高了芯片的集成密度和电气互连速度，降低了设计门槛，优化了功能匹配的灵活性。随着封装形式多样化和组合化的发展，先进封装不仅指单芯片封装，还包括集成至少两个或更多芯片的系统级封装（SiP）。

图3 芯片封装技术发展（来源：yole）

表1 传统封装和先进封装

图4 单芯片封装和系统极封装（SiP）

3、先进封装技术分析

目前，先进封装包含的代表性技术包括倒装芯片技术（Flip Chip）、硅通孔技术（TSV）、晶圆级封装（WLP）和系统级封装（SiP）技术。

倒装芯片技术

倒装芯片通过凸块（凸块结构）将芯片直接连接到封装基板上的界面。

图5 倒装芯片示意图

与传统的引线键合封装相比，倒装芯片主要有以下优点： 1）在性能方面，可以减少引线带来的寄生电容，有利于提高频率，改善电性能和热性能； 2）经济性方面，工艺简单，成本低。降低； 3）在空间方面，减小封装体积，使封装成品与芯片尺寸相当，实现芯片级封装（CSP）。

硅通孔技术(TSV)

TSV（Through Silicon Via）技术主要用于三维封装，为芯片提供垂直方向的电气延伸和互连。根据集成类型的不同，TSV分为2.5D和3D。 2.5D过孔位于中介层内，而3D过孔则穿透芯片本身，直接连接上下芯片。

3D TSV技术允许两个结构相同的芯片直接连接，实现大带宽、低延迟的数据传输。这一特性极其符合存储芯片的需求，可以提高存储芯片之间的传输速度，降低功耗。它已广泛应用于高端闪存和DRAM堆栈。

2.5D TSV技术可以为同一封装中的多个芯片提供大带宽、低延迟的数据传输。结合3D TSV的封装方法已广泛应用于CPU和GPC中。

图6 TSV技术示意图

晶圆级封装(WLP)

传统的封装工艺是先将晶圆切割成裸晶圆，然后进行封装，而晶圆级封装则是先进行封装，然后进行切割。晶圆级封装可以显着减小封装后芯片的尺寸，还可以提高数据传输的速度和稳定性。广泛应用于消费电子芯片。

RDL（ReDistribution Layer）作为晶圆级封装的核心技术，起着XY平面电气延伸和互连的作用。在芯片设计和制造过程中，IO端口一般分布在芯片的边缘或周围。为了便于与外界连接，需要在晶圆表面沉积金属层和相应的介质层，并形成金属布线，将IO端口重新排列到相对宽松的位置，形成面阵排列。

图7 RDL技术示意图

系统级封装(SiP)

SiP（系统级封装）将多个有源电子元件（通常是裸芯片）、无源器件以及其他具有不同功能的器件（MEMS或光学器件等）组合成一个系统或子系统，并将多个系统组装到一个封装中，使得它是具有某些功能的单个包。从连接方式来看，倒装芯片（FC）、再分布布线（RDL）和嵌入式（Embedded Die）是实现SiP的三种常见技术路线。

Chiplet技术是当今被广泛研究的SiP技术。它将单个芯片的各个功能区域分解为多个独立的芯片，并通过封装技术重新组装成一个完整的系统。与传统单芯片相比，采用Chiplet技术的单芯片面积更小，可以提高制造良率，实现异构集成。

图8 Chiplet技术示意图

4、先进封装应用案例

半导体产业基本实现了精细化分工，产业链主要由设计、生产、封装和测试组成。先进封装促进前后端工艺的相互渗透和融合，技术壁垒和技术积累较高的厂商将触角延伸至上下游工艺。如今，前后渠道的龙头厂商凭借各自的优势纷纷进入市场，成为先进封装行业的主力军。其中，前端厂商主要有Intel、三星、台积电等，后端厂商主要有日月光、Amkor、长电科技等。

以英特尔为例，作为代表性的IDM公司，其在先进封装领域不断创新，而先进封装也是英特尔IDM2.0计划的重点之一[7]（图11）。 2017年，英特尔推出EMIB（嵌入式多芯片互连桥），这是其先进封装进步的重要一步。 EMIB封装技术可以根据需要将CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封装在一起。可以将10nm、14nm、22nm等不同工艺的芯片一起封装成单个芯片，满足灵活业务的需求。 2019年，英特尔推出了Foveros技术，开始将芯片垂直堆叠，并横向和纵向互连，实现了一定意义上的3D堆叠。随后，在2019 年的SEMICON West 上，英特尔将EMIB 与Foveros 技术相结合。

图9 Intel先进封装技术（来源：Intel官网）

总结

半导体领域目前正处于快速发展的新阶段。先进封装是后摩尔时代系统集成和功能集成的关键路径，已成为芯片制造和封装企业的新赛道。国内企业需要抓住机遇，不断追赶国际先进半导体制造。在制造工艺上，我们将大力发展先进封装技术，缩短在芯片制造领域与世界领先水平的距离。