以下文章來源于Semika ，作者Semika

本文解釋了封裝技術的不同級別、不同制造，和封裝技術演變過程。

制造完成的裸芯片是非常易碎的。所以，使用合適的包裝以確保包裹完好，可以進行無損地移動和使用，是至關重要的步驟。聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫包裝和金屬外殼都可以用作包裹芯片的材料。

封裝是半導體制造過程的關鍵階段，可以保護芯片免受機械和化學損傷。然而，半導體封裝的作用并不局限于保護，與外部進行線路連接，對多種芯片進行重新組合裝配，這些同樣非常重要。

封裝工藝的四個層次

電子封裝技術關系到器件的硬件結構。這些硬件結構由有源元件(如半導體)和無源元件(包括電阻器和電容器)組成。

有源元件：由于電路實現而執行某種功能的器件，如半導體存儲器或邏輯半導體。

無源元件：一種沒有主動功能的裝置，如放大或轉換電能。

電容器：儲存電子并因此提供電容量的元件。

電子封裝是一項非常廣泛的技術，可以分為四個不同的級別，從0級到3級封裝。如下圖所示：

圖1

0級封裝：整個半導體封裝過程的開始，其中包括通過鋸片分離芯片。

1級封裝：芯片級封裝

2級封裝：將芯片安裝到模塊或卡上

3級封裝：將與芯片和模塊安裝在一起的卡安裝到系統板上。

從廣義上講，這整個過程通常被稱為“封裝”或“組裝”。然而，在半導體行業，半導體封裝一般只指晶圓鋸切和芯片級封裝的過程。

封裝通常采用細間距球柵陣列(FBGA)或薄小輪廓封裝(TSOP)的形式，如圖2所示。當FBGA上的焊料和TSOP上的引線充當引腳時，這些封裝允許芯片與外部組件進行電氣和機械連接。

焊料：一種能在低溫下熔化的金屬，既能電結合又能機械結合。

引線：從電子電路或元件的端子上伸出來連接到電路板上的導線。

圖2

封裝的功能和作用

半導體封裝的四個主要作用：機械保護、電氣連接、機械連接和散熱。

圖3

芯片是由數百種晶圓工藝制成的，以實現各種功能，但它們的基礎材料是硅。硅本身就像一塊玻璃一樣容易破碎，經過多次晶圓加工后形成的結構也同樣容易受到機械和化學損傷。因此，封裝材料對保護芯片至關重要。

此外，半導體封裝負責將芯片與系統進行電氣和機械連接。該封裝將芯片與系統電連接起來，為芯片提供電力，同時也為信號的輸入和輸出創造了一條途徑。同時，芯片需要外界進行可靠的機械連接，以確保它們在使用過程中與系統保持物理連接。

同時，封裝需要快速散熱半導體芯片和器件產生的熱量。當半導體產品工作時，電流就會流動。這不可避免地會產生阻力，然后產生熱量。如果半導體封裝不能有效地散熱，芯片可能會過熱，導致內部晶體管過熱而無法工作。因此，半導體封裝有效散熱是必不可少的。隨著半導體產品的發展速度越來越快，功能越來越多，封裝的冷卻功能變得越來越重要。

半導體封裝的發展趨勢

半導體封裝技術多年來的六大發展趨勢如下圖。

圖4

首先，由于散熱（thermal Dissipation)已經成為封裝過程中的一個重要因素，導熱性好的材料和能有效散熱的封裝結構已經被開發出來。

導熱系數：一種測量熱量從高溫區域轉移到鄰近的較低溫度區域而不涉及物質運動的方法。

能夠支持高速電信號傳輸(Hight-Speed Signal Transmission)的封裝技術也是一個重要的趨勢，因為封裝可以限制半導體產品的速度。例如，如果可以達到每秒20千兆比特(Gbps)速度的半導體芯片或設備與只能支持2gbps的半導體封裝連接，系統將感知到半導體具有2gbps的速度。無論芯片的速度有多快，半導體產品的速度都受到封裝的極大影響，因為通往系統的電子路徑是在封裝中創建的。這強調了芯片速度的提高需要遵循半導體封裝的技術進步，以實現高傳輸速度。這尤其適用于人工智能和5G無線通信技術。鑒于此，諸如倒裝芯片封裝和硅通孔(TSV)等封裝技術已被開發出來，以支持高速電信號傳輸。

倒裝芯片：一種將芯片和襯底電連接起來的互連技術。

硅通孔(TSV)：一種垂直互連通道，完全穿過硅晶片或硅片，使硅晶片堆疊。

3D封裝技術已成為半導體封裝領域的革命性發展。3D封裝是將多個芯片組合成一個封裝來實現一個系統的一種封裝方式。

小型化也是一種趨勢，即縮小半導體器件尺寸。隨著半導體產品在移動甚至可穿戴產品中的應用，小型化正成為客戶的重要要求。為了滿足這一需求，已經開發了許多技術來減小包裝尺寸。

此外，半導體產品越來越多地用于各種環境。除了健身房、辦公室或家庭等日常環境外，它們還用于熱帶雨林、極地地區、深海甚至太空。由于封裝的基本作用是保護半導體芯片和器件，因此有必要開發高可靠性的封裝技術，使這些半導體產品能夠在這些極端環境中正常工作。

最后，由于半導體封裝是最終產品，因此開發制造成本低且能滿足所需功能的封裝技術非常重要。

除了上面提到的專注于推進封裝技術特定作用的趨勢外，封裝發展背后的另一個驅動力是半導體行業的整體發展。下圖中，紅線表示自20世紀70年代以來組裝過程中PCB10特征尺寸的變化，綠線表示晶圓上CMOS晶體管特征尺寸的變化。特征尺寸的減小允許在PCB和晶圓上繪制更小的圖案。

圖5

在20世紀70年代，pcb和晶圓的特征尺寸差異相對較小。然而，今天的晶圓正在大規模生產，CMOS晶體管的特征尺寸正在發展到小于10納米(nm)，而pcb的特征尺寸仍然在100微米(um)范圍內。這一差距在過去幾十年里顯著擴大。

由于PCB的特征尺寸沒有太大變化。而光刻技術的進步，CMOS晶體管的特征尺寸急劇縮小，擴大了與pcb的尺寸差距。半導體封裝必須補償PCB和晶圓之間的這種差異。在過去，這種特征尺寸的差異并不顯著，因此可以使用通孔技術，即半導體封裝的引線插入pcb的插座中，例如雙列直插式封裝(DIP)。隨著差距越來越大，出現了引線連接到電路板表面的技術，例如TSOP，這是一種表面貼裝技術(SMT)。隨后，諸如球柵陣列(BGA)、倒裝芯片、扇形晶圓級芯片級封裝(WLCSP)14和通硅孔(TSV)等封裝技術相繼開發出來，以彌補晶圓和板尺寸之間日益擴大的差距。

芯片封裝的開發過程

下圖顯示了一個新芯片的封裝開發過程。

圖6

通常，在制造半導體產品時，芯片和封裝的設計是一起開發的，因此它們的特性可以全面優化。出于這個原因，封裝部門在設計芯片之前要考慮芯片是否可封裝。在可行性研究期間，對封裝的設計進行了粗略的測試，因此可以分析電氣，熱學和結構評估，以確保在實際的批量生產階段不會出現問題。

封裝部門根據封裝的臨時設計和分析結果，向芯片設計者反饋封裝的可行性。完成封裝可行性研究后，芯片設計才算完成。這個過程之后是晶圓制造。當晶圓正在制造時，封裝部門設計封裝生產所需的基板或引線框架，并通過執行后端工藝的公司進行生產。同時，封裝工藝的工具也會提前準備好，在晶圓測試完成后，當晶圓送到封裝部門后，立即開始封裝生產。