从今天开始,写给小白我们聊聊芯片的片封普封装和测试(通常简称“封测”) 。

这一部分 ,装入在行业里也被称为后道(Back End)工序 ,门科一般都是写给小白由OSAT封测厂(Outsourced Semiconductor Assembly and Test,外包半导体封装与测试)负责。片封普
封装的装入目的先说封装。
封装这个词 ,门科其实我们经常会听到 。写给小白它主要是片封普指把晶圆上的裸芯片(晶粒)变成最终成品芯片的过程。免费模板

之所以要做封装,装入主要目的门科有两个。
一个是写给小白对脆弱的晶粒进行保护 ,防止物理磕碰损伤,片封普也防止空气中的装入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。不同的源码下载场景,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。服务器租用
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) ,云计算并逐渐派生出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。亿华云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 、建站模板球栅阵列)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 。

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 。