写给小白的芯片封装入门科普

之前给大家介绍了晶圆制备和芯片制造：

从今天开始，我们聊聊芯片的封装和测试（通常简称“封测” ）。

这一部分，在行业里也被称为后道（ Back End）工序，一般都是由OSAT封测厂（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半导体封装与测试）负责。

█封装的目的

先说封装。

封装这个词，其实我们经常会听到。它主要是指把晶圆上的裸芯片（晶粒）变成最终成品芯片的过程。

之所以要做封装，主要目的有两个。

一个是对脆弱的晶粒进行保护，防止物理磕碰损伤，也防止 空气中的杂质 腐蚀晶粒的电路。

二是让芯片更适应使用场景的要求。

芯片有很多的应用场景。不同的场景，对芯片的外型有不同的要求。进行合适的封装，能够让芯片更好地工作。

我们平时会看到很多种外型的芯片，其实就是不同的封装类型

█封装的发展阶段

封装工艺伴随芯片的出现而出现，迄今为止已有70多年的历史。

总的来看，封装工艺一共经历了五个发展阶段：

接下来，我们一个个来说。

• 传统封装

最早期的晶体管，采用的是TO（晶体管封装）。后来，发展出了DIP（ 双列直插封装）。

我们最熟悉的三极管造型，就是TO封装

再后来， 由PHILIP公司开发出了SOP（小外型 封装 ），并逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。

DIP内部构造

第一、第二阶段（1960-1990年）的封装，以通孔插装类封装（THP）以及表面贴装类封装（SMP）为主， 属于传统封装。

传统封装，主要依靠引线将晶粒与外界建立电气连接。

这些传统封装，直到现在仍比较常见。尤其是一些老的经典型号芯片，对性能和体积要求不高，仍会采用这种低成本的封装方式。

第三阶段（1990-2000年），IT技术革命加速普及，芯片功能越来越复杂，需要更多的针脚。电子产品小型化，又要求芯片的体积继续缩小。

这时， BGA（ 球型矩阵、 球栅阵列） 封装开始出现，并成为主流。

BGA仍属于传统封装。它的接脚位于芯片下方，数量庞大，非常适合需要大量接点的芯片。而且，相比DIP，BGA的体积更为紧凑，非常适合需要小型化设备。

BGA封装

BGA封装内部

和BGA有些类似的，还有LGA（平面网格阵列封装 ）和PGA（ 插针网格阵列封装）。大家应该注意到了，我们最熟悉的CPU，就是这三种封装。

• 先进封装

20世纪末，芯片级封装（ CSP）、晶圆级封装（WLP）、 倒装封装 （Flip Chip ）开始慢慢崛起。传统封装开始向先进封装演变。

相比于BGA这样的封装， 芯片级封装（ CSP）强调的是尺寸的更小型化（封装面积不超过芯片面积的1.2倍）。

封装的层级（来自 Skhynix）

晶圆级封装是芯片级封装的一种，封装的尺寸接近裸芯片大小。

下期我们讲具体工艺的时候，会提到封装包括了一个切割工艺。 传统封装，是先切割晶圆，再封装。而晶圆级封装，是先封装，再切割晶圆，流程不一样。

晶圆级封装

倒装封装 （Flip Chip ）的发明时间很早。1960年代的时候，IBM就发明了这个技术。但是直到1990年代，这个技术才开始普及。

采用倒装封装，就是不再用金属线进行连接，而是把晶圆直接反过来，通过晶圆上的凸点（ Bump），与基板进行电气连接。

和传统金属线方式相比，倒装封装的I/O（输入/输出）通道数更多，互连长度缩短，电性能更好。另外，在散热和封装尺寸方面，倒装封装也有优势。

先进封装的出现，迎合了当时时代发展的需求。

它采用先进的设计和工艺，对芯片进行封装级重构，带来了更多的引脚数量、更小的体积、更高的系统集成度， 能够大幅提升系统的性能。

进入21世纪后，随着移动通信和互联网革命的进一步爆发，促进芯片封装进一步朝着高性能、 小型化、低成本、高可靠性等方向发展。先进封装技术开始进入高速发展的阶段。

这一时期，芯片内部布局开始从二维向三维空间发展（将多个晶粒塞在一起），陆续出现了 2.5D/3D封装、 硅通孔（TSV）、重布线层（RDL）、扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圆级封装、系统级封装（SiP）等先进技术。

当芯片制程发展逐渐触及摩尔定律的底线时，这些先进的封装技术，就成了延续摩尔定律的“救命稻草”。

█先进封装的关键技术

• 2.5D/3D封装

2.5D和3D封装，都是对 芯片进行堆叠封装。

2.5D封装技术，可以将两种或更多类型的芯片放入单个封装，同时让信号横向传送，这样可以提升封装的尺寸和性能。

最广泛使用的2.5D封装方法，是通过硅中介层（ Interposer）将内存和逻辑芯片（GPU或CPU等）放入单个封装。

2.5D封装需要用到硅通孔（TSV ）、重布线层（RDL ）、微型凸块等核心技术。

3D封装是在同一个封装体内，于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。

2.5D和3D封装的主要区别在于：

2.5D封装，是在Interposer上进行布线和打孔。而3D封装，是直接在芯片上打孔和布线，连接上下层芯片堆叠。相对来说，3D封装的要求更高，难度更大。

2.5D和3D封装起源于FLASH存储器（NOR/NAND ）及SDRAM的需求。大名鼎鼎的HBM（High Bandwidth Memory， 高带宽存储器），就是 2.5D和3D封装的典型应用。将HBM和GPU进行整合，能够进一步发挥GPU的性能。

HBM，对于GPU很重要，对AI也很重要

HBM通过硅通孔等先进封装工艺，垂直堆叠多个DRAM，并在Interposer上与GPU封装在一起。HBM内部的DRAM堆叠，属于3D封装。而HBM与GPU合封于Interposer上，属于2.5D封装。

现在业界很多厂商推出的新技术，例如 CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等，都是由 2.5D和3D封装演变而来的。

• 系统级封装（SiP）

大家应该都听说过SoC （System on Chip， 系统级芯片）。我们手机里面那个主芯片，就是SoC芯片。

SoC，简单来说，是将多个原本具有不同功能的芯片整合设计到一颗单一的芯片中。这样可以最大程度地缩小体积，实现高度集成。

但是，SoC的设计难度很大， 同时还需要获得其他厂商的IP（intellectual property）授权，增加了成本。

SiP（System In Packet，系统级封装），和SoC就不一样。

SiP将多个芯片直接拿来用，以 并排或叠加的方式（2.5D/3D封装），封装在一个单一的封装体内。

尽管SiP没有SoC那样高的集成度，但也够用，也能减少尺寸，最主要是更灵活、更低成本（ 避免了繁琐的IP授权步骤）。

业界常说的Chiplet（小 芯粒、小芯片），其实就是SiP的思路， 将一类满足特定功能的裸片（ die），通过die-to-die的内部互联技术，互联形成大芯片。

• 硅通孔（TSV）

前面反复提到了硅通孔（ through silicon via，TSV，也叫硅穿孔 ）。

所谓硅通孔，其实原理也挺简单，就是在硅介质层上 刻蚀垂直通孔，并填充金属，实现上下层的垂直连接，也就实现了电气连接。

由于垂直互连线的距离最短、强度较高，所以，硅通孔可以更容易实现小型化、高密度、高性能等优点，非常适合叠加封装（3D封装）。

硅通孔的具体工艺，我们下期再做介绍。

• 重布线层（RDL）

RDL是在芯片表面沉积金属层和相应的介电层，形成金属导线，并将IO端口重新设计到新的、更宽敞的区域，形成表面阵列布局，实现芯片与基板之间的连接。

RDL技术

说白了，就是在硅介质层里面重新连线，确保上下两层的电气连通。在3D封装中，如果上下堆叠的是不同类型的芯片（接口不对齐），则需要通过 RDL重布线层，将上下层芯片的IO进行对准。

如果说TSV实现了Z平面的延伸，那么，重布线层（RDL）技术则实现了X-Y平面进行延伸。业界的很多技术，例如WLCSP、FOWLP、INFO、FOPLP、EMIB等，都是基于RDL技术。

• 扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圆级封装

WLP（晶圆级封装）可分为扇入型晶圆级封装（Fan-In WLP）和扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLP）两大类。

扇入型直接在晶圆上进行封装，封装完成后进行切割，布线均在芯片尺寸内完成，封装大小和芯片尺寸相同。

扇出型则基于晶圆重构技术，将切割后的各芯片重新布置到人工载板上。然后，进行晶圆级封装，最后再切割。布线可在芯片内和芯片外，得到的封装面积一般大于芯片面积，但可提供的IO数量增加。

目前量产最多的，是扇出型产品。

以上，小枣君尽可能简单地介绍了一些封装的背景知识。

下一期，我要开始介绍封装的主要工艺。敬请关注！

参考文献：

1、《芯片制造全工艺流程》，半导体封装工程师之家；

2、《 一文读懂芯片生产流程》，Eleanor羊毛衫；

3.、《 不得不看的芯片制造全工艺流程》，射频学堂；

4、《 什么是先进封装？和传统封装有什么区别？如何分类？》， 失效分析工程师赵工；

5、《 一文了解先进封装之倒装芯片(FlipChip)技术》， 圆圆的圆，半导体全解；

6、《 一文了解硅通孔(TSV)及玻璃通孔(TGV)技术》，圆圆的圆，半导体全解；

7、《 先进封装发展充要条件已具，关键材料国产替代在即》，国金证券；

8、《 Chiplet先进封装大放异彩》，民生证券；

9、维基百科、百度百科、各厂商官网。