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電子發燒友網報道（文/李寧遠）在半導體生產流程中，半導體封裝是制造工藝的重要后道工序，是指將通過測試的晶圓加工得到獨立芯片的過程。封裝可以提供電氣連接，防止物理損傷，降低環境腐蝕，并有助于散熱。


從傳統封裝到先進封裝


在典型的半導體封裝流程中，傳統封裝技術以引線框架型封裝作為載體，芯片與引線框架通過焊線連接，引線框架的接腳采用引線鍵合互聯的形式。這里面主要包括了DIP、SOP、QFP、QFN等封裝形式，傳統封裝的功能主要在于芯片保護、尺度放大、電氣連接這些功能。


DIP雙列直插形式封裝技術是最早模集成電路采用的第一代封裝技術，是通孔插入型封裝里代表技術。此后發展到以SOP為代表的表面貼裝型封裝第二代封裝技術，這一階段的封裝技術提高了管腳數和組裝密度，是封裝技術的一次革命，這階段也是金屬引線塑料封裝的黃金時代。


隨后，以球柵陣列封裝BGA和芯片級封裝CSP為代表的第三階段封裝技術成為主流。其中，BGA封裝主要是將I/O端與基板通過球柱形焊點陣列進行封裝，通常做表面固定使用，促進了安裝技術的進步和芯片生產效率的提高。


這前面三個階段的封裝階段被稱為傳統封裝。傳統封裝技術的主要特點就是簡單、成本低。這些封裝類型大多數是通過引腳進行電氣連接，這種連接方式在某些應用中可能會限制信號傳輸的速度和效率。同時這些傳統封裝的封裝效率（裸芯面積/基板面積）也偏低，在電子器件的快速發展中漸漸不能跟上需求。


算速與算力上的需求推動著高端芯片的發展，高端芯片又不離不開先進封裝。根據Yole統計數據，2021年先進封裝市場規模約375億美元，占整體封裝市場規模的44%，預計到2027 年占比將提升至53%。


為了解決傳統封裝的技術短板，先進封裝技術逐漸被開發出來，這些先進封裝技術采用先進的設計和工藝對芯片進行封裝級重構，并有效提升系統性能。相較于傳統封裝，先進封裝的封裝效率大大提高，能顯著提升芯片的集成密度與互聯速度，增強芯片整體的性能，并且改善散熱和可靠性。


尤其是隨著高性能計算需求的爆發，算速與算力上的需求推動了先進封裝的進一步發展。目前，帶有倒裝芯片（FC）結構的封裝、晶圓級封裝（WLP）、扇出型封裝（Fan-out）、系統級封裝（SiP）、2.5D 封裝、3D 封裝等均被認為屬于先進封裝范疇。并行的先進封裝技術很多，不過從技術角度細分來看，先進封裝有著四大要素，Bumping、RDL、Wafer和TSV，具備四要素中任意一種技術即可被認為是先進封裝。


從四要素看先進封裝發展


Bumping工藝和倒裝芯片（FC）封裝關系緊密，是FC的前道基礎工藝，是倒裝芯片（FC）與PCB電連接的唯一通道。Bumping指在晶圓的I/O端口的Pad上形成焊料凸點的過程。可以理解為通過小型球狀導體材料實現芯片與基板電氣互連。其優勢在于高端口密度、短傳輸路徑、短信號延遲、優良熱傳導。其發展趨勢是焊料凸點越來越小，電介質表面越來越光滑，集成密度越來越高。


RDL重布線層技術，用于2D平面電氣延伸和互聯，適用于為I/O端口進行寬松排布，廣泛應用于晶圓級封裝技術和2.5D/3D技術中，但不適用于倒裝芯片技術。RDL為先進封裝中的異質集成提供了操作上的基礎。


RDL帶來了更多的引腳數量，也能夠替代一部分芯片內部線路的設計，最主要的采用RDL讓觸點間距更加靈活，凸點面積更大，增加元件的可靠性。在先進封裝的FIWLP、FOWLP中RDL是最為關鍵的工藝技術。


Wafer技術，可以用作芯片的基底和WLP封裝的載體，也可以與硅基板一同實現2.5D集成，技術發展趨勢是使Wafer面積逐漸增大。


TSV，硅通孔技術，是先進封裝中極為關鍵的垂直互連技術。TSV通過導電物質的填充，實現硅通孔的垂直電氣互聯，這項技術是目前唯一的垂直電互聯技術，是實現半導體裸片和晶圓高密度互連的核心技術。


TSV和平面互連相比優勢非常明顯，不論在減小信號延遲、降低電容、電感，降低芯片功耗、提高通信、增加帶寬還是提高集成度上都是明顯的提升。隨著摩爾定律逼近極限，半導體芯片的微型化也越來越依賴于集成TSV技術的先進封裝。


先進封裝范疇有著不少大量使用RDL、Bumping、TSV 等基礎工藝技術的封裝路線，需求側中的不同也延伸出了多種不同形式的先進封裝，如FOWLP、INFO、FOPLP、CoWoS、HBM、HMC等等。


Chiplet概念進一步推動2.5D/3D先進封裝發展


根據Yole統計數據，2021年到2027年先進封裝占比不斷攀升，而其中，2.5D/3D先進封裝市場收入規模年復合增長率高達14%，在先進封裝多個細分領域中位列第一，這和Chiplet概念有著密切關系。


目前Chiplet概念愈發火熱，Chiplet的核心是實現芯片間的高速互聯，同時兼顧多芯片互聯后的重新布線。先進封裝技術和Chiplet發展密不可分，先進封裝技術目前主要由臺積電、日月光、Intel等產業龍頭公司來主導，包含從2D MCM（Multi-Chip Module）到2.5D CoWoS、EMIB和3D Hybrid Bonding，這些先進封裝技術均為Chiplet的關鍵封裝技術。


在UCle聯盟發布的Chiplet白皮書中，現階段主流的Chiplet封裝方式就提到了Intel的EMIB方案（硅橋連接）、臺積電的CoWoS方案（硅中介層連接）以及日月光的FOCoS-B方案（扇出型中介層）。


臺積電的2.5D封裝CoWoS目前非常火，英偉達的多款GPU就是基于此先進封裝，目前CoWoS產能仍然吃緊，而且臺積電也在穩步推進3D封裝技術。英特爾也在Foveros、Foveros Omni、Foveros Direct下一代3D先進封裝上不斷推進。


傳統的封測廠也都有自己的先進封裝發展布局，尤其是在2.5D和3D上，如日月光的FORB封裝技術、長電科技的XDFOI封裝技術、安靠的SLIM封裝技術等等。


基于RDL、Bumping、TSV 等多項核心基礎工藝技術的先進封裝技術已經成為高端芯片不可或缺的重要環節。


小結


半導體芯片不斷突破更高密度和更高性能的背后，晶圓制造和封裝技術缺一不可。隨著制程節點不斷逼近摩爾定律極限，摩爾定律的迭代放緩，先進封裝成為提高芯片性能，延續摩爾定律的重要技術手段。