一文看懂半導體封裝技術！

電子封裝是集成電路晶元生產完成後不可缺少的一道工序，是器件到系統的橋樑。封裝這一生產環節對微電子產品的質量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為，在微電子器件的總體成本中，設計佔了三分之一，晶元生產佔了三分之一，而封裝和測試也佔了三分之一，真可謂三分天下有其一。

封裝研究在全球範圍的發展是如此迅猛，而它所面臨的挑戰和機遇也是自電子產品問世以來所從未遇到過的；封裝所涉及的問題之多之廣，也是其它許多領域中少見的，它是從材料到工藝、從無機到聚合物、從大型生產設備到計算力學等一門綜合性非常強的新型高科技學科。

什麼是封裝

封裝最初的定義是保護電路晶元免受周圍環境的影響（包括物理、化學的影響）。

晶元封裝是利用（膜技術）及（微細加工技術），將晶元及其他要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出接線端子並通過可塑性絕緣介質灌封固定，構成整體結構的工藝。

電子封裝工程：將基板、晶元封裝體和分立器件等要素，按電子整機要求進行連接和裝配，實現一定電氣、物理性能，轉變為具有整機或系統形式的整機裝置或設備。

集成電路封裝能保護晶元不受或者少受外界環境的影響，並為之提供一個良好的工作條件，以使集成電路具有穩定、正常的功能。

晶元封裝能實現電源分配；信號分配；散熱通道；機械支撐；環境保護。

封裝技術的層次：

第一層次，又稱為晶元層次的封裝，是指把集成電路晶元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，使之成為易於取放輸送，並可與下一層次的組裝進行連接的模塊元件。

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子卡的工藝。

第三層次，將數個第二層次完成的封裝組成的電路卡組合成在一個主電路版上使之成為一個部件或子系統的工藝。

第四層次，將數個子系統組裝成為一個完整電子廠品的工藝過程。

他們依次是晶元互連級（零級封裝）、一級封裝（多晶元組件）、二級封裝（PWB或卡）三級封裝（母板）。

封裝的分類

按照封裝中組合集成電路晶元的數目，晶元封裝可分為：單晶元封裝與多晶元封裝兩大類；

按照密封的材料區分，可分為高分子材料和陶瓷為主的種類；

按照器件與電路板互連方式，封裝可區分為引腳插入型和表面貼裝型兩大類；

按照引腳分布形態區分，封裝元器件有單邊引腳，雙邊引腳，四邊引腳，底部引腳四種。

常見的單邊引腳有單列式封裝與交叉引腳式封裝；

雙邊引腳元器件有雙列式封裝小型化封裝；

四邊引腳有四邊扁平封裝；

底部引腳有金屬罐式與點陣列式封裝。

封裝的名詞解釋

SIP：單列式封裝 SQP：小型化封裝 MCP：金屬鑵式封裝

DIP：雙列式封裝 CSP：晶元尺寸封裝 QFP：四邊扁平封裝

PGA：點陣式封裝 BGA：球柵陣列式封裝 LCCC：無引線陶瓷晶元載體

封裝技術的發展階段

半導體行業對晶元封裝技術水平的劃分存在不同的標準，目前國內比較通行的標準是採取封裝晶元與基板的連接方式來劃分，總體來講，集成電路封裝封裝技術的發展可分為四個階段：

第一階段：20世紀80年代以前（插孔原件時代）。

封裝的主要技術是針腳插裝（PTH），其特點是插孔安裝到PCB上，主要形式有SIP、DIP、PGA，它們的不足之處是密度、頻率難以提高，難以滿足高效自動化生產的要求。

第二階段：20世紀80年代中期（表面貼裝時代）。

表面貼裝封裝的主要特點是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節距為1.27到0.4mm，適合於3-300條引線，表面貼裝技術改變了傳統的PTH插裝形式，通過細微的引線將集成電路貼裝到PCB板上。主要形式為SOP（小外型封裝）、PLCC（塑料有引線片式載體）、PQFP（塑料四邊引線扁平封裝）、J型引線QFJ和SOJ、LCCC（無引線陶瓷晶元載體）等。它們的主要優點是引線細、短，間距小，封裝密度提高；電氣性能提高；體積小，重量輕；易於自動化生產。它們所存在的不足之處是在封裝密度、I/O數以及電路頻率方面還是難以滿足ASIC、微處理器發展的需要。

第三階段：20世紀90年代出現了第二次飛躍，進入了面積陣列封裝時代。

該階段主要的封裝形式有焊球陣列封裝（BGA）、晶元尺寸封裝（CSP）、無引線四邊扁平封裝（PQFN）、多晶元組件（MCM）。BGA技術使得在封裝中佔有較大體積和重量的管腳被焊球所替代，晶元與系統之間的連接距離大大縮短，BGA技術的成功開發，使得一直滯後於晶元發展的封裝終於跟上晶元發展的步伐。CSP技術解決了長期存在的晶元小而封裝大的根本矛盾，引發了一場集成電路封裝技術的革命。

第四階段：進入21世紀，迎來了微電子封裝技術堆疊式封裝時代，它在封裝觀念上發生了革命性的變化，從原來的封裝元件概念演變成封裝系統。

目前，以全球半導體封裝的主流正處在第三階段的成熟期，PQFN和BGA等主要封裝技術進行大規模生產，部分產品已開始在向第四階段發展。

微機電系統（MEMS）晶元就是採用堆疊式的三維封裝。

封裝工藝流程

1.封裝工藝流程 一般可以分為兩個部分，用塑料封裝之前的工藝步驟成為前段操作，在成型之後的工藝步驟成為後段操作

2.晶元封裝技術的基本工藝流程 矽片減薄 矽片切割 晶元貼裝，晶元互聯 成型技術 去飛邊毛刺 切筋成型 上焊錫打碼等工序

3.矽片的背面減薄技術主要有磨削，研磨，化學機械拋光，乾式拋光，電化學腐蝕，濕法腐蝕，等離子增強化學腐蝕，常壓等離子腐蝕等

4.先劃片後減薄：在背面磨削之前將矽片正面切割出一定深度的切口，然後再進行背面磨削。

5.減薄劃片：在減薄之前，先用機械或化學的方式切割處切口，然後用磨削方法減薄到一定厚度之後採用ADPE腐蝕技術去除掉剩餘加工量實現裸晶元的自動分離。

6.晶元貼裝的方式四種：共晶粘貼法，焊接粘貼法，導電膠粘貼法，和玻璃膠粘貼法。

共晶粘貼法：利用金-硅合金（一般是69%Au,31%的Si），363度時的共晶熔合反應使IC晶元粘貼固定。

7.為了獲得最佳的共晶貼裝所採取的方法，IC晶元背面通常先鍍上一層金的薄膜或在基板的晶元承載座上先植入預晶元

8.晶元互連常見的方法有，打線鍵合，載在自動鍵合（TAB）和倒裝晶元鍵合。

9.打線鍵合技術有，超聲波鍵合，熱壓鍵合，熱超聲波鍵合。

10.TAB的關鍵技術：1晶元凸點製作技術2TAB載帶製作技術3載帶引線與晶元凸點的內引線焊接和載帶外引線焊接技術。

11.凸點晶元的製作工藝，形成凸點的技術:蒸發/濺射塗點製作法，電鍍凸點製作法置球及模板印刷製作，焊料凸點發，化學鍍塗點製作法，打球凸點製作法，激光法。

12.塑料封裝的成型技術，1轉移成型技術，2噴射成型技術，3預成型技術但最主要的技術是轉移成型技術，轉移技術使用的材料一般為熱固性聚合物。

13.減薄後的晶元有如下優點：1、薄的晶元更有利於散熱；2、減小晶元封裝體積；3、提高機械性能、矽片減薄、其柔韌性越好，受外力衝擊引起的應力也越小；4、晶片的厚度越薄，元件之間的連線也越短，元件導通電阻將越低，信號延遲時間越短，從而實現更高的性能；5、減輕劃片加工量減薄以後再切割，可以減小劃片加工量，降低晶元崩片的發生率。

14. 波峰焊：波峰焊的工藝流程包括上助焊劑、預熱以及將PCB板在一個焊料波峰上通過，依靠表面張力和毛細管現象的共同作用將焊劑帶到PCB板和元器件引腳上，形成焊接點。

波峰焊是將熔融的液態焊料，藉助於泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，裝了元器件的PCB置於傳送鏈上，經某一特定的角度以及一定的進入深度穿過焊料波峰而實現焊點的焊接過程。

再流焊：是通過預先在PCB焊接部位施放適量和適當形式的焊料，然後貼放表面組裝元器件，然後通過重新熔化預先分配到印製板焊盤上的焊膏，實現表面組裝元器件焊端或引腳與印製板焊盤之間機械與電氣連接的一種成組或逐點焊接工藝。

15.打線鍵合（WB）：將細金屬線或金屬帶按順序打在晶元與引腳架或封裝基板的焊墊上形成電路互連。打線鍵合技術有超聲波鍵合、熱壓鍵合、熱超聲波鍵合。

載帶自動鍵合（TAB）：將晶元焊區與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區用具有引線圖形金屬箔絲連接的技術工藝。

倒裝晶元鍵合（FCB）：晶元面朝下，晶元焊區與基板焊區直接互連的一種方法。

16. 晶元互連：將晶元焊區與電子封裝外殼的I/O或基板上的金屬布線焊區相連接，只有實現晶元與封裝結構的電路連接才能發揮已有的功能。

先進封裝技術SIP

隨著物聯網時代和全球終端電子產品漸漸走向多功能整合及低功耗設計，因而使得可將多顆裸晶整合在單一封裝中的SiP技術日益受到關注。除了既有的封測大廠積極擴大SiP製造產能外，晶圓代工業者與IC基板廠也競相投入此一技術，以滿足市場需求。

SIP的定義

根據國際半導體路線組織(ITRS)的定義： SiP 為將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如 MEMS 或者光學器件等其他器件優先組裝到一起，實現一定功能的單個標準封裝件，形成一個系統或者子系統。

因此，從架構上來講， SiP 是將多種功能晶元，包括處理器、存儲器等功能晶元集成在一個封裝內，從而實現一個基本完整的功能。

SOC的定義

將原本不同功能的 IC，整合在一顆晶元中。藉由這個方法，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升晶元的計算速度。SoC稱為系統級晶元，也有稱片上系統,意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統並有嵌入軟體的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬體劃分，並完成設計的整個過程。

隨著封裝技術持續演進，加上終端電子產品朝向輕薄短小趨勢，因此，對SiP需求亦逐漸提升。

SiP生產線須由基板、晶片、模組、封裝、測試、系統整合等生態系共同組成，才能夠順利發展。反之，若缺乏完整生態系，便難以推動SiP技術具體實現。

由於SiP技術可將多種晶片封裝於單一封裝體內而自成系統，因此具有高整合性與微型化特色，適合應用於體積小、多功能、低功耗等特性的電子產品。

以各種應用來看，若將原本各自獨立的封裝元件改成以SiP技術整合，便能縮小封裝體積以節省空間，並縮短元件間的連接線路而使電阻降低，提升電性效果，最終呈現微小封裝體取代大片電路載板的優勢，又仍可維持各別晶片原有功能。因此，高整合性與微型化特色，使SiP成為近年來封裝技術發展趨勢。

此外，因SiP是將相關電路以封裝體完整包覆，因此可增加電路載板的抗化學腐蝕與抗應力(Anti-stress)能力，可提高產品整體可靠性，對產品壽命亦能提升。

相較於SoC來說，SiP毋須進行新型態晶片設計與驗證，而是將現有不同功能的晶片，以封裝技術進行整合 。

大致上來說，現階段SiP常用的基本封裝技術，包括普遍應用於智慧型手機的Package on Package(PoP)技術，將邏輯IC與記憶體IC進行封裝體堆疊。將主動與被動元件內埋於基板的嵌入式技術(Embedded)，以及多晶片封裝(MCP)、多晶片模組(MCM)、Stacking Die、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等，也屬於SiP技術範疇。

智慧型手機扮演SiP成長驅動主力

與個人電腦時代相比，行動裝置產品對SiP的需求較為普遍 。就以智慧型手機來說，上網功能已是基本配備，因此與無線網路相關的Wi-Fi模組便會使用到SiP技術進行整合。

基於安全性與保密性考量所發展出的指紋辨識功能，其相關晶片封裝亦需要SiP協助整合與縮小空間，使得指紋辨識模組開始成為SiP廣泛應用的市場；另外，壓力觸控也是智慧型手機新興功能之一，內建的壓力觸控模組(Force Touch)更是需要SiP技術的協助。

除此之外，將應用處理器(AP)與記憶體進行整合的處理器模組，以及與感測相關的MEMS模組等，亦是SiP技術的應用範疇。

穿戴裝置/物聯網　驅動SiP需求上揚

全球終端電子產品的發展不斷地朝向輕薄短小、多功能、低功耗等趨勢邁進， SiP的成長潛力越來越大。2015年Apple Watch等穿戴式產品問世後，SiP技術擴及應用到穿戴式產品。

此外， 在萬物聯網的趨勢下，必然會串聯組合各種行動裝置、穿戴裝置、智慧交通、智慧醫療，以及智慧家庭等網路，多功能異質晶片整合預估將有龐大需求，低功耗也會是重要趨勢。

——— END ———

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！