半导体模块半导体制造之封装技术

电子封装是集成电路芯片生产后必不可少的工序，是连接器件和系统的桥梁。包装对微电子产品的质量和竞争力有很大的影响。按照国际通行的观点，设计占微电子器件总成本的三分之一，芯片生产占三分之一，封装和测试也占三分之一。

包装研究在世界范围内发展迅速，其面临的挑战和机遇是电子产品问世以来从未遇到过的；包装涉及的问题很多，在很多其他领域都很少见。从材料到技术，从无机到聚合物，从大型生产设备到计算力学，是一门综合性很强的高新技术学科。

什么是封装

封装的最初定义是保护电路芯片免受周围环境(包括物理和化学影响)的影响。

芯片封装是利用(膜技术)和(微加工技术)将芯片等元件排列、粘贴、固定、连接在框架或基板上，引出连接端子，用塑料绝缘介质封装固定，形成整体结构的过程。

电子封装工程是将基板、芯片封装、分立器件等元件按照电子整机的要求进行连接和组装，达到一定的电气和物理性能，并以整机或系统的形式转化为整机器件或设备。

集成电路封装可以保护芯片免受或少受外部环境的影响，并为其提供良好的工作条件，使集成电路具有稳定正常的功能。

芯片封装可以实现配电；信号分配；散热通道；机械支撑；环保。

包装技术水平:

第一级，又称芯片级封装，是指将集成电路芯片与封装基板或引线框之间的电路连接以及封装保护进行粘贴固定，使其成为易于取放和运输，并能与下一级组件连接的模块组件的过程。

在第二层，将在第一层完成的几个包与其他电子元件组合成电子卡的过程。

在第三级中，由在第二级中完成的几个封装组成的电路卡被组合成使它们成为主电路板上的组件或子系统的过程。

第四层是把几个子系统组装成一个完整的电子工厂的过程。

它们是芯片互连级(零级封装)、一级封装(多芯片模块)、二级封装(PWB或卡)和三级封装(主板)。

包装分类

根据封装中集成电路芯片的数量，芯片封装可以分为两类:单芯片封装和多芯片封装；

按密封材料可分为高分子材料和陶瓷；

根据器件与电路板的互连方式，封装可分为插针式和表面贴装式。

根据引脚分布模式，封装元件有四种:单面引脚、双面引脚、四面引脚和底引脚。

常见的单面引脚有单行封装和十字引脚封装；

双面引脚元件采用双列封装和小型化封装；

四面引脚有四面扁平封装；

底部引脚有金属罐和点阵封装。

封装名词解释

SIP:单排封装SQP:小型化封装MCP:金属钹封装

双列封装CSP:芯片级封装QFP:四方扁平封装

球栅阵列封装LCCC:无铅陶瓷芯片载体

包装技术发展阶段

半导体行业对芯片封装技术水平的划分有不同的标准。目前国内通行的标准是采用封装芯片与基板的连接方式。一般来说，集成电路封装技术的发展可以分为四个阶段:

第一阶段:80年代之前(原jack时代)。

主要的封装技术是插针(PTH)，其特点是插孔安装在PCB上，主要形式有SIP、DIP、PGA。他们的缺点是密度和频率难以提高，难以满足高效自动化生产的要求。

堆叠存储模块

目前，全球半导体封装的主流正处于第三阶段的成熟阶段。PQFN、BGA等主要封装技术大规模生产，部分产品已经开始向第四阶段发展。

微机电系统芯片是一种堆叠的三维封装。

包装工艺流程

1.包装过程通常可分为两部分。用塑料包装前的工艺步骤成为前工序，模制后的工艺步骤成为后工序

2.芯片封装技术的基本工艺流程:晶圆减薄、晶圆切割、芯片贴装、芯片互连成型技术、飞边毛刺切割、筋条成型、焊接编码等。

3.硅片背面减薄技术主要包括研磨、研磨、化学机械抛光、干法抛光、电化学刻蚀、湿法刻蚀、等离子体增强化学刻蚀、大气压等离子体刻蚀等

4.先划片后减薄:背磨前，将硅片正面切割一定深度，然后进行背磨。

5.减薄划线:减薄前，先用机械或化学方法切割缺口，然后用研磨法减薄到一定厚度，再用ADPE腐蚀技术去除剩余加工量，实现裸片自动分离。

6.芯片贴装有四种方式:共晶键合、焊接键合、导电胶键合和玻璃胶键合。

共晶键合方法:采用金硅合金(一般为69%Au，31% Si)，363度的共晶熔合反应使ic芯片键合固定。

7.为了获得最佳的共晶安装方法，通常在集成电路芯片背面镀一层金膜或先在衬底的芯片载体上植入预芯片

8.芯片互连的常见方法包括引线键合、TAB键合和倒装芯片键合。

9.引线键合技术包括超声波键合、热压键合和热超声键合。

10.TAB的关键技术:1芯片凸点制造技术2TAB载带制造技术3载带引线与芯片凸点的内引线焊接和载带的外引线焊接技术。

11.凸点芯片制造技术、凸点形成技术:蒸发/溅射镀膜法、电镀凸点制作法、球放置和模板印刷法、焊料凸点制作法、化学镀镀膜法、球凸点制作法、激光法。

12.塑料包装成型技术，1传递成型技术，2注塑成型技术，3预成型技术，但最重要的技术是传递成型技术。转移技术中使用的材料通常是热固性聚合物。

13.变薄的芯片具有以下优点:1 .芯片越薄越有利于散热；2.减小芯片封装体积；3.提高机械性能，使硅片变薄，其柔韧性越好，外部冲击产生的应力越小；4.晶片厚度越薄，元件之间的连线越短，元件的导通电阻越低，信号延迟时间越短，从而达到更高的性能；5.减薄后减少划片再切割的量，可以减少划片的量和芯片碎片的发生率。

14.波峰焊:波峰焊的工艺过程包括施加助焊剂，将印刷电路板预热并通过焊料波峰，通过表面张力和毛细现象的共同作用，将助焊剂带到印刷电路板和元件引脚上，形成焊点。

波峰焊是在泵的帮助下，在焊料槽的液面上形成特定形状的焊料波。将带元器件的PCB放置在传输链上，以特定角度和一定深度穿过焊料波峰，实现焊接工艺。

回流焊:是通过预先在PCB的焊接部位涂上适量、适量形式的焊料，然后贴上表面贴装元器件，再将预先分布在印制板焊盘上的焊膏重熔，实现表面贴装元器件的焊接端子或引脚与印制板焊盘之间的机械和电气连接的一组或逐点焊接工艺。

15.引线键合(WB):在芯片和引线框或封装基板的焊盘上依次键合薄金属线或金属条，形成电路互连。引线键合技术包括超声波键合、热压键合和热超声键合。

胶带自动键合(TAB):用带有引线图案的金属箔线将芯片焊盘与电子封装外壳的I/O或基板上的金属布线焊盘连接的工艺过程。

倒装焊(FCB):一种方法，其中芯片面朝下，芯片焊盘直接与衬底焊盘互连。

16.芯片互连:将芯片焊盘与电子封装外壳的输入/输出或基板上的金属布线焊盘连接。只有实现芯片与封装结构之间的电路连接，才能发挥现有的功能。

高级封装技术SIP

随着物联网时代和全球终端电子产品逐渐走向多功能集成和低功耗设计，能够在单个封装中集成多个裸芯片的SiP技术越来越受到关注。除了现有的封装和测试工厂积极扩大SiP制造能力之外，晶圆代工厂和IC基板工厂也在竞相投资这项技术，以满足市场需求。

SIP的定义

根据国际半导体路由组织(ITRS)的定义，SiP是一个单一的标准封装，它将多个具有不同功能的有源电子元件与可选的无源器件和其他器件(如微机电系统或光学器件)相结合，以实现某些功能，并形成一个系统或子系统。

所以在架构上，SiP将处理器、内存等多种功能芯片集成到一个封装中，从而实现一个基本完整的功能。

荷电状态的定义

将原有的不同功能的IC集成到一个芯片上。通过这种方法，不仅可以减小尺寸，还可以减小不同IC之间的距离，提高芯片的计算速度。SoC被称为片上系统(system on chip)，也称为片上系统(System on chip)，意思是它是一种产品，是一种具有特殊用途的集成电路，包含完整的系统和嵌入式软件的全部内容。同时也是一种技术，用来实现从确定系统功能到划分软硬件，完成设计的全过程。

随着封装技术的不断演进和终端电子产品轻薄短小的趋势，对SiP的需求逐渐增加。

SiP生产线必须由衬底、芯片、模块、封装、测试、系统集成等生态系统组成才能顺利发展。相反，如果没有完整的生态系统，就很难推动SiP技术的具体实施。

由于SiP技术可以将多种芯片封装在单个封装中，成为自己的系统，因此具有集成度高、小型化的特点，适用于小尺寸、多功能、低功耗的电子产品。

在各种应用中，如果通过SiP技术集成原有的独立封装元件，可以减小封装体积以节省空，并且可以缩短元件之间的连接线以减小电阻，提高电效应。最后，可以呈现用微小封装替代大电路板的优势，仍然可以保持单个芯片的原有功能。因此，高集成度和小型化使SiP成为近年来封装技术的发展趋势。

此外，由于SiP用封装完全覆盖了相关电路，因此可以增加电路载板的耐化学腐蚀和抗应力性，提高产品的整体可靠性，延长产品的使用寿命。

与SoC相比，SiP不需要设计和验证新的芯片，而是将现有的具有不同功能的芯片与封装技术集成在一起。

一般来说，目前SiP中常用的基本封装技术，包括智能手机中广泛使用的Package on Package(PoP)技术，封装中的堆栈逻辑ic和内存ic。在衬底中嵌入有源和无源元件的嵌入式技术，以及多芯片封装(MCP)、多芯片模块(MCM)、堆叠芯片(Stacking Die)、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等。，也属于SiP技术。

智能手机是SiP增长的主要驱动力

与个人电脑时代相比，移动设备对SiP的需求更加普遍。就智能手机而言，基本都配备了上网功能，所以无线网络相关的Wi-Fi模块会和SiP技术融合。

基于安全和保密考虑开发的指纹识别功能，其相关芯片封装也需要SiP帮助集成和缩小空，使得指纹识别模块成为SiP广泛使用的市场。此外，压力触摸也是智能手机的新兴功能之一，内置压力触摸模块需要SiP技术的辅助。

此外，集成应用处理器(AP)和存储器的处理器模块以及与传感相关的MEMS模块也是SiP技术的应用领域。

对可穿戴设备/物联网驱动的SiP的需求正在上升

全球终端电子产品的发展不断朝着轻薄短小、多功能、低功耗的趋势发展，SiP的增长潜力也在不断增加。2015年Apple Watch等可穿戴产品问世后，SiP技术被扩展到可穿戴产品。