微電子封裝技術重點分析

封裝技術的發展階段

微電子封裝技術的發展大致經歷了四個階段：

1. 1970 年前，以雙列直插封裝（DIP）為主的直插型封裝階段。

2. 1970—1990 年，以表面貼裝技術衍生出的小外形封裝（SOP）、J 型引腳小外形封裝（SOJ）、無引腳芯片載體（LCC）、扁平方形封裝（QFP）四大封裝技術和針柵陣列（PGA）技術為主。

3. 1990—2000 年，球柵陣列（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）、倒裝芯片（FC）封裝等先進封裝技術開始興起。

4. 2000 年至今，從二維封裝向三維封裝發展，出現了晶圓級封裝（WLP）、系統級封裝、扇出型（FO）封裝、2.5D/3D 封裝、嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）等先進封裝技術。

先進封裝技術的內驅力轉變

近年來，先進封裝技術的內驅力已從高端智能手機領域演變為高性能計算和人工智能等領域，涉及高性能處理器、存儲器、人工智能訓練和推理等。

主要參與者

當前，除了傳統委外封測代工廠（OSAT）和科研機構做封裝外，晶圓代工廠（Foundry）、整合元器件制造商（IDM）、無廠半導體公司（Fabless）、原始設備制造商（OEM）都在大力發展先進封裝或相關關鍵技術。

先進封裝技術的引領者

目前臺積電已成為先進封裝技術創新的引領者之一，相繼推出了基板上晶圓上的芯片（CoWoS）封裝、整合扇出型（InFO）封裝、系統整合芯片（SoIC）等；英特爾推出了 EMIB、Foveros 和 Co-EMIB 等先進封裝技術，力圖通過 2.5D、3D 和埋入式 3 種異質集成形式實現互連帶寬倍增與功耗減半的目標；三星電子推出了扇出型面板級封裝（FOPLP）技術，在大面積的扇出型封裝上進一步降低封裝體的剖面高度、增強互連帶寬、壓縮單位面積成本，取得性價比的優勢。

集成電路發展的制約因素

當前集成電路的發展受“存儲墻”“面積墻”“功耗墻”和“功能墻”這“四堵墻”的制約。

1. 為突破“存儲墻”，業界提出了存內計算和近存計算兩種技術途徑，近存計算是一種基于先進封裝的技術途徑，通過超短互連技術，可實現存儲器和處理器之間數據的近距離搬運。

2. 為突破“面積墻”，通過先進封裝技術集成多顆芯片是一種低成本主流方案。

3. 為突破“功耗墻”，迫切需要采用更先進的冷卻技術。

4. 為突破“功能墻”，可通過多芯片異質集成技術，將傳感、存儲、計算、通信等不同功能的元器件集成在一起，實現電、磁、熱、力等多物理場的有效融合。

芯粒異質集成技術

芯粒異質集成技術已成為維持摩爾定律和超越光罩極限的一種有效方法。增大芯片尺寸可增多晶體管數量，從而可以集成更復雜的微體系結構、更多的片上存儲器以及更多的內核，提高芯片性能。然而，芯片尺寸受限于光罩極限，且芯片良率隨尺寸的增大而降低。采用更先進的制程也可提升芯片的性能，但隨著工藝節點向小微縮，采用先進制程制造大芯片的成本越來越高。芯粒是一種有效的片間互連和封裝架構，即將大芯片拆分成多顆芯粒，以搭積木的形式將不同功能、不同合適工藝節點制造的芯粒封裝在一起。拆解后的小芯片可形成貨架產品，便于快速靈活的開發，降低開發成本與周期的同時，化整為零，極大減少了知識。

微電子封裝技術的關鍵要點

封裝的目的

微電子封裝的目的在于安放固定密封芯片、保護集成電路內置芯片不受或少受外界環境的影響，并為之提供一個良好的工作條件，以使電路具有穩定、正常的功能。

封裝的技術領域

微電子封裝技術涵蓋的技術面積廣，屬于復雜的系統工程。它涉及物理、化學、化工、材料、機械、電氣與自動化等各門學科，也使用金屬、陶瓷、玻璃、高分子等各種各樣的材料，因此微電子封裝是一門跨學科知識整合的科學，整合了產品的電氣特性、熱傳導特性、可靠性、材料與工藝技術的應用以及成本價格等因素，以達到最佳化目的的工程技術。

封裝的功能

電子封裝通常有五個主要功能，即電源分配、信號分配、散熱通道、機械支撐和環境保護。

1. 電源分配：實現電源電壓的分配和導通，使芯片和電路之間電流導通，應對電源和接地線分布要考慮恰當。

2. 信號分配：主要是指將電信號的延遲盡可能減小，在布線時其路徑應盡可能達到最短，且還應考慮高頻信號干擾，進行合理的信號及接地線分配。

3. 提供散熱通道：主要是指各種電子封裝均要考慮如何將器件或部件長期工作時產生的熱量散發出去的問題。

4. 機械支撐：主要是指封裝可為芯片和其他部件提供牢固可靠的機械支撐，并能適應各種工作環境和條件的變化。

5. 環境保護：半導體器件和電路的許多參數均與半導體表面狀態密切相關，半導體芯片制造出來在未封裝之前，時刻處于周圍環境的威脅之中，在封裝后，芯片將被嚴加密封和保護，使之可適應各種工作環境和條件的變化。

封裝的技術層次

微電子封裝通常有四個層次：

1. 第一層次：是指把電路芯片與封裝基板或引腳架之間的粘貼固定、電路連線與封裝保護的工藝，使之成為易于取放輸送，并可與下一層次組裝進行連接的模塊元件。

2. 第二層次：將數個第一層次完成的封裝與其他電子元器件組成一個電路卡的工藝。

3. 第三層次：將數個第二層次完成的封裝組裝成的電路卡組合在一個主電路板上使之成為一個部件或子系統的工藝。

4. 第四層次：將數個子系統組裝成為一個完成電子產品的工藝過程。

封裝的分類

電子封裝目前有多種分類方式：

1. 按照封裝中組合電路芯片的數目，微電子封裝可分為單芯片封裝（SCP）與多芯片封裝（MCP）兩大類，MCP 指層次較低的多芯片封裝，而 MCM 指層次較高的多芯片封裝。

2. 按照密封的材料區分，微電子封裝可分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬陶瓷封裝和塑料封裝。金屬封裝的優點是氣密性好，不易受外界環境因素的影響。它的缺點是價格昂貴，外型靈活性小，不能滿足半導體器件日益快速發展的需要。陶瓷封裝具有極穩定的熱、電、機械特性，對水分子滲透有良好的阻隔能力，是主要的高可靠性封裝方法；但其工藝溫度較高，成本較高；工藝自動化與薄型化封裝的能力遜于塑料封裝；且其有較高的脆性，易致應力損害。而塑料封裝的散熱性、耐熱性、密封性雖遜于陶瓷封裝和金屬封裝，但具有低成本、薄型化、工藝較為簡單、適合自動化生產等優點，因此塑料封裝是目前市場最常采用的技術。

3. 按照外形、尺寸、結構和與電路板的互連方式，微電子封裝可分為引腳插入封裝（PTH）、表貼封裝（SMT）、面陣封裝和高級封裝（3D 封裝）等。PTH 器件的引腳為細針狀或薄板狀金屬，以供插入底座或電路板的導孔中進行焊接固定；SMT 器件則先粘貼于電路板上再以焊接固定，它具有海鷗翅型、鉤型、直柄型的金屬引腳，或電極凸塊引腳（也稱為無引腳化器件）。

4. 依據引腳分布形態區分，封裝元器件有單邊引腳、雙邊引腳、四邊引腳與底部引腳等 4 種。常見的單邊引腳有單列式封裝（SIP）與交叉引腳式封裝（ZIP）；雙邊引腳元器件有雙列直插式封裝（DIP）、小外型封裝（SOP）等；四邊引腳有四邊扁平封裝（QFP）、底部引腳有金屬罐式（MCP）與點陣列式封裝（PGA）。

5. 按照應用領域區分，可分為微波功率器件封裝、大規模集成電路封裝、光電封裝、MEMS 封裝和高溫封裝等。由于產品小型化以及功能提升的需求和工藝技術的進步，封裝的形式和內部結構也有許多不同的變化。

微電子封裝技術的重要方面解析

封裝技術的概念

微電子封裝是指利用膜技術及微細加工技術，將芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出連線端子并通過可塑性絕緣介質灌封固定，構成整體立體結構的工藝。從廣義上講，電子封裝是指電子器件、電子組件、電子部件和電子系統等，按規定的要求合理布置、組裝、鍵合、連接、與外部環境隔離以及保護等操作工藝。

封裝技術的發展趨勢

隨著電子產品在個人、醫療、家庭、汽車、環境和安防系統等領域得到應用，同時在日常生活中更加普及，對新型封裝技術和封裝材料的需求變得愈加迫切。電子產品繼續在個人、醫療、家庭、汽車、環境和安防系統等領域不斷拓展，這促使封裝技術朝著小型化、高性能、高可靠性、低成本和綠色環保等方向發展。

典型的封裝辦法

1. DIP（雙列直插式封裝） DIP 即雙列直插辦法封裝。絕大多數中小規劃集成電路（IC）均選用這種封裝辦法，其引腳數一般不超過 100 個。采用 DIP 封裝的 CPU 芯片有兩排引腳，需要插入到具有 DIP 結構的芯片插座上，當然，也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP 封裝具有以下特點：

• 適合在 PCB 上穿孔焊接，操作便利。

• 芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。

影響微電子封裝技術的關鍵因素

芯片尺寸與良率的關系

工藝成熟后，當芯片面積從 213mm2增至 777mm2時，良率降低了 33%，因此，芯片的成本隨尺寸的增大而增加。

制程節點與成本的關系

相比采用 45nm 節點制造的 250mm2的芯片，采用 16nm 工藝節點后，芯片每平方毫米的成本增加 1 倍以上，采用 5nm 工藝后，成本將增加 4 - 5 倍，因此摩爾定律已從單個晶體管微縮向系統級微縮演變。

封裝技術的應用領域需求

隨著電子產品在個人、醫療、家庭、汽車、環境和安防系統等領域的廣泛應用，對封裝技術在性能、尺寸、可靠性等方面提出了不同的要求。例如，在汽車電子領域，對封裝的耐高溫、抗振動等性能要求較高；在醫療設備領域，對封裝的生物兼容性和可靠性要求嚴格。

產業參與者的競爭與合作

在微電子封裝領域，不同類型的企業，如晶圓代工廠、整合元器件制造商、無廠半導體公司和原始設備制造商等，既存在競爭關系，也有合作的可能。他們的技術研發方向、市場策略等都會影響封裝技術的發展。

微電子封裝技術的核心內容剖析

封裝技術在集成電路產業中的地位

集成電路是國之重器，設計、制造和封裝是集成電路產業發展的三大支柱。封裝是芯片實用化的起點，是溝通芯片內部世界與外部系統的橋梁。

封裝技術對芯片性能的影響

封裝技術不僅影響芯片的物理保護和電氣連接，還對芯片的散熱、信號傳輸、電源分配等性能產生重要影響。良好的封裝技術可以提高芯片的穩定性、可靠性和工作效率。

封裝技術與系統集成的關系

采用先進的封裝技術將處理、模擬/射頻、光電、能源、傳感、生物等集成在一個系統內，進行系統級封裝，實現系統性能的提升。相比常規封裝，先進封裝具有小型化、輕薄化、高密度、低功耗和功能融合等優點，相比系統級芯片，還可以降低成本。

先進微電子封裝技術的重點研究

面向第三代半導體與功率器件封裝的納米銅燒結技術

該文回顧了近年來面向第三代半導體與功率器件封裝的納米銅燒結技術的最新研究成果，分析了尺度效應、銅氧化物對燒結溫度及擴散的影響，總結了鍵合表面納米化修飾、銅納米焊料的制備與燒結鍵合、銅納米焊料氧化物自還原等多項技術的優勢與。

高可靠先進微系統封裝技術

文章概述了微系統封裝結構及類型，闡述了高可靠晶圓級芯片封裝（WLP）、倒裝焊封裝（BGA）、系統級封裝（SIP）、三維疊層封裝、TSV 通孔結構的實現原理、關鍵工藝技術及發展趨勢。

微電子先進封裝技術的重要性

微電子先進封裝技術是半導體集成電路產業鏈中四大環節之一，是目前延續摩爾定律的唯一可行技術，支撐著微電子技術持續發展。是當前世界主要工業國家必爭的技術至高點，也是我國受美國打壓的“卡脖子”關鍵技術。

芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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