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芯片之旅:探索半导体封装技术的无尽奥秘
2023-12-29

半导体封装是通过测试的晶圆进行划片、装片、键合、塑封、电镀、切筋成型等一系列加工工序,最终获得具有一定功能的半导体产品这样一个全过程,封测环节可以使芯片能够可靠并且稳定的进行工作。封装技术的好坏直接影响到芯片能否正常使用,衡量封装技术的标准之一是芯片面积与封装面积之比,比值越接近1越好。封测产业链中,上游主要包括封测设备和封装材料,中游为封测厂商,下游为Fabless厂商和IDM厂商等。

        半导体封测产业链:

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封装开发流程方面,开始芯片设计和封装设计开发会同步进行,以便对热性进行整体优化。封装相关部门进行可行性研究,包括对封装设计进行粗略测试,从而对便于电气、热和结构进行评估分析,避免在量产阶段出现问题,之后会进行封装制造和热性及可靠性试验。

封装工艺过程较为复杂 ,先后要经过多个步骤,整个工艺流程主要包括来料检查-贴膜-磨片-贴片-划片-装片-键合-塑封-去毛刺、电镀-切筋打弯-品质检验-产品出货,每个工艺步骤都不可或缺。

     

半导体封装工艺:

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资料来源:五矿整卷研究所

半导体封装的作用主要是通过将芯片和器件密封在环氧树脂模塑料(EMC)等封装材料中, 保护它们免受物理性和化学性损坏,核心包括机械连接、机械保护、电气连接和散热四项主 要作用。集成电路封装四大功能:

1.    芯片电气热性保持功能:通过封装技术的进步,满足不断发展的高性能、小型化、高频化等方面的要求,确保芯片的功能性。

2.    芯片保护功能:保护芯片表面以及连接引线等,使其在电气或物理方面免受外力损害及外部坏境的影响

3.    应力缓和功能:受外部环境影响或芯片自身发热都会产生应力,封装可以缓解应力,防止芯片发生损坏失效,保证可靠性。

4.    尺寸调整配合功能:由芯片的细微引线间距调整到实装基板的尺寸间距调整,从而便于实装操作。

半导体封装作用:

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   资料来源:五矿整卷研究所

封装技术的发展始终伴随着用户对产品需求的不变升级而迭代,从技术角度看,散热、小型化、低成本、高可靠性、堆叠、高速信号传输是封装技术发展趋势。散热方面采用热传导性能较好的材料和可有效散热的封装结构;小型化可以压缩封装体积,给其他物料如电池、摄像头留出更多空间;由于封装会限制芯片的速度,可支持高速电信号传输的封装技术也成为了一种重要发展趋势,从而提高传输速度;三维堆叠技术则能够实现在一个封装外壳内堆叠多个芯片。

全球集成电路封装技术一共经历了五个发展阶段。第一阶段为20世纪70年代以前,采用通孔插转型封装;第二阶段为20实际80年代以后,采用表面贴装型封装;目前全球封装的主流技术处于以球栅阵列封装(BGA)、芯片级封装(CSP)为主的第三阶段,并在逐步向以三维立体封装(3D)、系统级封装(SiP) 、倒装焊封装(FC)、芯片上制作凸点(Bumping)、硅通孔(TSV)、扇出型(Fan-Out)、扇入型(Fan-in)为代表的第四、第五阶段技术迭代升级。

集成电路封装发展阶段:

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封装一般分为4级:

零级封装:完成晶圆制造,将晶圆切割为裸芯片,裸芯片电极的制作、引线的连接均在硅片之上完成;

1级封装:芯片级封装,将芯片封装在封装基板或引线框架内,完成密封保护和电路连线;

2级封装:电子装联,将封装好的芯片组合在电路板上;

3级封装:电子整机系统,将数个电路板组合在母板上或者将数个子系统组合为完整的电子产品。

系统集成等级Level 0~3

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数据来源:Yole

半导体封装的分类方式多样,按照材料分类,可以分为金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷封装和塑料封装,其中塑料封装占全球集成电路市场的95%以上。按照形状分类,可以分为引脚插入型、表面贴装型和高密度封装。按照封装中组合集成电路芯片的数目分类,可以分为单芯片封装和多芯片封装。按照引脚分布形态分类,可以分为单边引脚封装、双边引脚封装、四边引脚封装和底部引脚封装。

封装技术分类:

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资料来源:新材料在线


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