芯片的封裝和測(cè)試,簡(jiǎn)稱(chēng)“封測(cè)”。這一部分,在行業(yè)里也被稱(chēng)為后道(Back End)工序,一般都是由OSAT封測(cè)廠(Outsourced Semiconductor Assembly and Test,外包半導(dǎo)體封裝與測(cè)試)負(fù)責(zé)。
封裝工藝伴隨芯片的出現(xiàn)而出現(xiàn),迄今為止已有70多年的歷史。封裝主要是指把晶圓上的裸芯片(晶粒)變成最終成品芯片的過(guò)程。封裝的主要目的有兩個(gè):一個(gè)是對(duì)脆弱的晶粒進(jìn)行保護(hù),防止物理磕碰損傷,也防止空氣中的雜質(zhì)腐蝕晶粒的電路。二是讓芯片更適應(yīng)使用場(chǎng)景的要求。芯片有很多的應(yīng)用場(chǎng)景。不同的場(chǎng)景,對(duì)芯片的外型有不同的要求。進(jìn)行合適的封裝,能夠讓芯片更好地工作。我們平時(shí)會(huì)看到很多種外型的芯片,其實(shí)就是不同的封裝類(lèi)型。
一、傳統(tǒng)封裝
最早期的晶體管,采用的是TO(晶體管封裝)。后來(lái),發(fā)展出了DIP(雙列直插封裝)。
我們最熟悉的三極管造型,就是TO封裝。
再后來(lái),由PHILIP公司開(kāi)發(fā)出了SOP(小外型封裝),并逐漸派生出SOJ(J型引腳小外形封裝)、TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等。
第一、第二階段(1960-1990年)的封裝,以通孔插裝類(lèi)封裝(THP)以及表面貼裝類(lèi)封裝(SMP)為主,屬于傳統(tǒng)封裝。傳統(tǒng)封裝主要依靠引線(xiàn)將晶粒與外界建立電氣連接。
這些傳統(tǒng)封裝,直到現(xiàn)在仍比較常見(jiàn)。尤其是一些老的經(jīng)典型號(hào)芯片,對(duì)性能和體積要求不高,仍會(huì)采用這種低成本的封裝方式。
第三階段(1990-2000年),IT技術(shù)革命加速普及,芯片功能越來(lái)越復(fù)雜,需要更多的針腳。電子產(chǎn)品小型化,又要求芯片的體積繼續(xù)縮小。這時(shí),(球型矩陣、球柵陣列)封裝開(kāi)始出現(xiàn),并成為主流。
BGA仍屬于傳統(tǒng)封裝。它的接腳位于芯片下方,數(shù)量龐大,非常適合需要大量接點(diǎn)的芯片。而且,相比DIP,BGA的體積更為緊湊,非常適合需要小型化設(shè)備。和BGA有些類(lèi)似的,還有LGA(平面網(wǎng)格陣列封裝)和PGA(插針網(wǎng)格陣列封裝)。我們最熟悉的CPU,就是這三種封裝。
二、先進(jìn)封裝
20世紀(jì)末,芯片級(jí)封裝(CSP)、晶圓級(jí)封裝(WLP)、倒裝封裝(Flip Chip)開(kāi)始慢慢崛起。傳統(tǒng)封裝開(kāi)始向先進(jìn)封裝演變。相比于BGA這樣的封裝,芯片級(jí)封裝(CSP)強(qiáng)調(diào)的是尺寸的更小型化(封裝面積不超過(guò)芯片面積的1.2倍)。
晶圓級(jí)封裝是芯片級(jí)封裝的一種,封裝的尺寸接近裸芯片大小。1960年代的時(shí)候,IBM就發(fā)明了這個(gè)技術(shù)。但是直到1990年代,這個(gè)技術(shù)才開(kāi)始普及。
采用倒裝封裝,就是不再用金屬線(xiàn)進(jìn)行連接,而是把晶圓直接反過(guò)來(lái),通過(guò)晶圓上的凸點(diǎn)(Bump),與基板進(jìn)行電氣連接。和傳統(tǒng)金屬線(xiàn)方式相比,倒裝封裝的I/O(輸入/輸出)通道數(shù)更多,互連長(zhǎng)度縮短,電性能更好。另外,在散熱和封裝尺寸方面,倒裝封裝也有優(yōu)勢(shì)。
先進(jìn)封裝的出現(xiàn),迎合了當(dāng)時(shí)時(shí)代發(fā)展的需求。它采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝,對(duì)芯片進(jìn)行封裝級(jí)重構(gòu),帶來(lái)了更多的引腳數(shù)量、更小的體積、更高的系統(tǒng)集成度,能夠大幅提升系統(tǒng)的性能。
進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)革命的進(jìn)一步爆發(fā),促進(jìn)芯片封裝進(jìn)一步朝著高性能、小型化、低成本、高可靠性等方向發(fā)展。先進(jìn)封裝技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入高速發(fā)展的階段。這一時(shí)期,芯片內(nèi)部布局開(kāi)始從二維向三維空間發(fā)展(將多個(gè)晶粒塞在一起),陸續(xù)出現(xiàn)了2.5D/3D封裝、硅通孔(TSV)、重布線(xiàn)層(RDL)、扇入(Fan-In)/扇出(Fan-Out)型晶圓級(jí)封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等先進(jìn)技術(shù)。
2.5D和3D封裝,都是對(duì)芯片進(jìn)行堆疊封裝。2.5D封裝技術(shù),可以將兩種或更多類(lèi)型的芯片放入單個(gè)封裝,同時(shí)讓信號(hào)橫向傳送,這樣可以提升封裝的尺寸和性能。
最廣泛使用的2.5D封裝方法,是通過(guò)硅中介層(Interposer)將內(nèi)存和邏輯芯片(GPU或CPU等)放入單個(gè)封裝。2.5D封裝需要用到硅通孔(TSV)、重布線(xiàn)層(RDL)、微型凸塊等核心技術(shù)。3D封裝是在同一個(gè)封裝體內(nèi),于垂直方向疊放兩個(gè)以上芯片的封裝技術(shù)。
2.5D和3D封裝的主要區(qū)別在于:2.5D封裝,是在Interposer上進(jìn)行布線(xiàn)和打孔。而3D封裝,是直接在芯片上打孔和布線(xiàn),連接上下層芯片堆疊。相對(duì)來(lái)說(shuō),3D封裝的要求更高,難度更大。2.5D和3D封裝起源于FLASH存儲(chǔ)器(NOR/)及SDRAM的需求。大名鼎鼎的HBM(High Bandwidth Memory,高帶寬存儲(chǔ)器),就是2.5D和3D封裝的典型應(yīng)用。將HBM和GPU進(jìn)行整合,能夠進(jìn)一步發(fā)揮GPU的性能。
HBM,對(duì)于GPU很重要,對(duì)AI也很重要。HBM通過(guò)硅通孔等先進(jìn)封裝工藝,垂直堆疊多個(gè)DRAM,并在Interposer上與GPU封裝在一起。HBM內(nèi)部的DRAM堆疊,屬于3D封裝。而HBM與GPU合封于Interposer上,屬于2.5D封裝?,F(xiàn)在業(yè)界很多廠商推出的新技術(shù),例如CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等,都是由2.5D和3D封裝演變而來(lái)的。
WLP(晶圓級(jí)封裝)可分為扇入型晶圓級(jí)封裝(Fan-In WLP)和扇出型晶圓級(jí)封裝(Fan-Out WLP)兩大類(lèi)。扇入型直接在晶圓上進(jìn)行封裝,封裝完成后進(jìn)行切割,布線(xiàn)均在芯片尺寸內(nèi)完成,封裝大小和芯片尺寸相同。扇出型則基于晶圓重構(gòu)技術(shù),將切割后的各芯片重新布置到人工載板上。然后,進(jìn)行晶圓級(jí)封裝,最后再切割。布線(xiàn)可在芯片內(nèi)和芯片外,得到的封裝面積一般大于芯片面積,但可提供的IO數(shù)量增加。目前量產(chǎn)最多的,是扇出型產(chǎn)品。