半導(dǎo)體封裝技術(shù)的分類及制造工藝

來源：SK海力士

半導(dǎo)體封裝的分類

圖1為半導(dǎo)體封裝方法的不同分類，大致可以分為兩種：傳統(tǒng)封裝和晶圓級（Wafer-Level）封裝。傳統(tǒng)封裝首先將晶圓切割成芯片，然后對芯片進(jìn)行封裝；而晶圓級封裝則是先在晶圓上進(jìn)行部分或全部封裝，之后再將其切割成單件。
圖1：半導(dǎo)體封裝方法的分類（? HANOL出版社）根據(jù)封裝材料的不同，傳統(tǒng)封裝方法可進(jìn)一步細(xì)分為陶瓷封裝和塑料封裝。根據(jù)封裝媒介的不同，塑料封裝又可進(jìn)一步分為引線框架封裝（Leadframe）或基板封裝（Substrate）。
晶圓級封裝方法可進(jìn)一步細(xì)分為四種不同類型：
1）晶圓級芯片封裝（WLCSP），可直接在晶圓頂部形成導(dǎo)線和錫球（Solder Balls），無需基板；2）重新分配層（RDL），使用晶圓級工藝重新排列芯片上的焊盤位置1，焊盤與外部采取電氣連接方式；3）倒片（Flip Chip）封裝，在晶圓上形成焊接凸點(diǎn)2進(jìn)而完成封裝工藝；4）硅通孔（TSV）封裝，通過硅通孔技術(shù)，在堆疊芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接。
晶圓級芯片封裝分為扇入型WLCSP和扇出型WLCSP。扇入型WLCSP工藝將導(dǎo)線和錫球固定在晶圓頂部，而扇出型WLCSP則將芯片重新排列為模塑3晶圓。這樣做是為了通過晶圓級工藝形成布線層，并將錫球固定在比芯片尺寸更大的封裝上。
1焊盤 （Pad）：一種以電氣方式連接至其他媒介的通道。在芯片上，焊盤通過導(dǎo)線或倒片凸點(diǎn)與外部實(shí)現(xiàn)電氣連接；在基板上，焊盤用于芯片之間的連接。
2焊接凸點(diǎn) （Solder bump）：一種通過倒片鍵合將芯片連接到基板的導(dǎo)電凸點(diǎn)。它還可以將球柵陣列（BGA）或芯片尺寸封裝（CSP）連接至電路板。
3模塑 （Molding）：使用環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）密封引線鍵合結(jié)構(gòu)或倒裝芯片鍵合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體產(chǎn)品的過程。
傳統(tǒng)（ Conventional ）封裝

塑料封裝：引線框架

圖2：引線框架封裝方法的分類（ ? HANOL出版社 ）在塑料封裝方法中，芯片被環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）4等塑料材料覆蓋。引線框架封裝是一種塑料封裝方法，采用一種被稱為引線框架的金屬引線作為基板。引線框架采用刻蝕工藝在薄金屬板上形成布線。
4環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）：一種熱固性塑料，具有優(yōu)異的機(jī)械、電絕緣和耐溫特性。環(huán)氧樹脂模塑料是一種分子量相對較低的樹脂，能夠在固化劑或催化劑的作用下進(jìn)行三維固化。
圖2呈現(xiàn)了引線框架封裝方法的各種分類。20世紀(jì)70年代，人們通常采用雙列直插式封裝（DIP）或鋸齒型單列式封裝（ZIP）等通孔型技術(shù)，即，將引線插入到印刷電路板（PCB）的安裝孔中。后來，隨著引腳（Pin）數(shù)量的不斷增加，以及PCB設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜，引線插孔技術(shù)的局限性也日益凸顯。在此背景下，薄型小尺寸封裝（TSOP）、四方扁平封裝（QFP）和J形引線小外形封裝（SOJ）等表面貼裝型技術(shù)陸續(xù)問世。對于需要大量輸入/輸出（I/O）引腳（如邏輯芯片）的產(chǎn)品而言，可采用四方扁平封裝（QFP）等封裝技術(shù)，將引線固定在四個(gè)邊上。為了滿足系統(tǒng)環(huán)境對薄型化封裝的需求，薄型四方扁平封裝（TQFP）和薄型小尺寸封裝也應(yīng)運(yùn)而生。
隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品向更高速度邁進(jìn)，支持多層布線的基板封裝方法成為主流封裝技術(shù)。但是，TSOP封裝等引線框架封裝方法因其制造成本較低，仍然得到廣泛使用。引線框架通過在金屬板上沖壓或刻蝕布線形狀制成，而基板的制造工藝則相對復(fù)雜，因此，引線框架的制造成本比基板的制造成本更低。綜上，在生產(chǎn)不追求高速電氣特性的半導(dǎo)體產(chǎn)品時(shí)，引線框架封裝方法仍然是一種理想選擇。

塑料封裝：基板封裝

顧名思義，基板封裝方法使用基板作為媒介。由于基板使用多層薄膜制成，因而基板封裝有時(shí)也被稱為壓層式封裝。不同于引線框架封裝只有一個(gè)金屬布線層（因?yàn)橐€框架這種金屬板無法形成兩個(gè)以上金屬層），基板封裝可以形成若干布線層，因此電氣特性更加優(yōu)越且封裝尺寸更小。引線框架封裝和基板封裝的另一個(gè)主要區(qū)別是布線連接工藝。連接芯片和系統(tǒng)的布線必須分別在引線框架和基板上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要交叉布線時(shí)，基板封裝可將導(dǎo)線交叉部署至另一個(gè)金屬層；引線框架封裝由于只有一個(gè)金屬層，因而無法進(jìn)行交叉布線。
如圖3所示，基板封裝可以將錫球全部排列在一個(gè)面作為引腳，由此獲得大量引腳。相比之下，引線框架封裝采用引線作為引腳，而引線只能在一側(cè)的邊緣形成。這樣的部署也改善了基板封裝的電氣特性。在封裝尺寸方面，引線框架封裝由主框架和側(cè)面引線所占空間構(gòu)成，因而尺寸通常較大。而基板封裝的引腳位于封裝底部，可有效節(jié)省空間，因而尺寸通常較小。

圖3：球柵陣列（BGA）和平面網(wǎng)格陣列（LGA）封裝對比（ ? HANOL出版社 ）鑒于上述優(yōu)勢，如今大多數(shù)半導(dǎo)體封裝都采用基板封裝。最常見的基板封裝類型是球柵網(wǎng)格陣列（BGA）封裝。但近年來，平面網(wǎng)格陣列（LGA）封裝日益盛行，這種封裝方法采用由扁平觸點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格平面結(jié)構(gòu)替代錫球。

陶瓷封裝

陶瓷封裝采用陶瓷體，具有良好的散熱性和可靠性。然而，由于陶瓷制造工藝成本高昂，導(dǎo)致這種封裝類型的總制造成本也相對較高。因此，陶瓷封裝主要用于對可靠性有著極高要求的邏輯半導(dǎo)體，以及用于驗(yàn)證CMOS圖像傳感器（CIS）的封裝。
晶圓級封裝

扇入型 (Fan-In) WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package)

晶圓級芯片封裝的大多數(shù)制造過程都是在晶圓上完成的，是晶圓級封裝的典型代表。然而，從廣義上講，晶圓級封裝還包括在晶圓上完成部分工藝的封裝，例如，使用重新分配層、倒片技術(shù)和硅通孔技術(shù)的封裝。在扇入型WLCSP和扇出型WLCSP中，“扇”是指芯片尺寸。扇入型WLCSP的封裝布線、絕緣層和錫球直接位于晶圓頂部。與傳統(tǒng)封裝方法相比，扇入型WLCSP既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。
在扇入型WLCSP中，封裝尺寸與芯片尺寸相同，都可以將尺寸縮至最小。此外，扇入型WLCSP的錫球直接固定在芯片上，無需基板等媒介，電氣傳輸路徑相對較短，因而電氣特性得到改善。而且，扇入型WLCSP無需基板和導(dǎo)線等封裝材料，工藝成本較低。這種封裝工藝在晶圓上一次性完成，因而在裸片（Net Die，晶圓上的芯片）數(shù)量多且生產(chǎn)效率高的情況下，可進(jìn)一步節(jié)約成本。
扇入型WLCSP的缺點(diǎn)在于，因其采用硅（Si）芯片作為封裝外殼，物理和化學(xué)防護(hù)性能較弱。正是由于這個(gè)原因，這些封裝的熱膨脹系數(shù)與其待固定的PCB基板的熱膨脹系數(shù)5存在很大差異。受此影響，連接封裝與PCB基板的錫球會(huì)承受更大的應(yīng)力，進(jìn)而削弱焊點(diǎn)可靠性6。
5熱膨脹系數(shù) （Coefficient of thermal expansion）：在壓力恒定的情況下，物體的體積隨著溫度升高而增大的比率。膨脹或收縮的程度與溫度的升高或降低呈線性關(guān)系。
6焊點(diǎn)可靠性 （Solder joint reliability）：通過焊接方式將封裝與PCB連接時(shí)，確保焊點(diǎn)的質(zhì)量足以在封裝生命周期內(nèi)完成預(yù)期的機(jī)械和電氣連接目的。
存儲(chǔ)器半導(dǎo)體采用新技術(shù)推出同一容量的芯片時(shí)，芯片尺寸會(huì)產(chǎn)生變化，扇入型WLCSP的另一個(gè)缺點(diǎn)就無法使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行封裝測試。此外，如果封裝錫球的陳列尺寸大于芯片尺寸，封裝將無法滿足錫球的布局要求，也就無法進(jìn)行封裝。而且，如果晶圓上的芯片數(shù)量較少且生產(chǎn)良率較低，則扇入型WLCSP的封裝成本要高于傳統(tǒng)封裝。

扇出型WLCSP

扇出型WLCSP既保留了扇入型WLCSP的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)。圖4顯示了扇入型WLCSP和扇出型WLCSP的對比。

圖4：扇入型WLCSP和扇出型WLCSP的對比（? HANOL出版社 ）
扇入型WLCSP的所有封裝錫球都位于芯片表面，而扇出型WLCSP的封裝錫球可以延伸至芯片以外。在扇入型WLCSP中，晶圓切割要等到封裝工序完成后進(jìn)行。因此，芯片尺寸必須與封裝尺寸相同，且錫球必須位于芯片尺寸范圍內(nèi)。在扇出型WLCSP中，芯片先切割再封裝，切割好的芯片排列在載體上，重塑成晶圓。在此過程中，芯片與芯片之間的空間將被填充環(huán)氧樹脂模塑料，以形成晶圓。然后，這些晶圓將從載體中取出，進(jìn)行晶圓級處理，并被切割成扇出型WLCSP單元。
除了具備扇入型WLCSP的良好電氣特性外，扇出型WLCSP還克服了扇入型WLCSP的一些缺點(diǎn)。這其中包括：無法使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行封裝測試；封裝錫球陳列尺寸大于芯片尺寸導(dǎo)致無法進(jìn)行封裝；以及因封裝不良芯片導(dǎo)致加工成本增加等問題。得益于上述優(yōu)勢，扇出型WLCSP在近年來的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

重新分配層 (ReDistribution Layer, RDL)

RDL技術(shù)指重新布線的行為。RDL技術(shù)旨在通過添加額外的金屬層，對晶圓上已經(jīng)形成的鍵合焊盤進(jìn)行重新排列。圖5顯示了使用RDL技術(shù)將焊盤重新分配到邊緣的中心焊盤芯片示意圖和剖面圖。RDL技術(shù)是一種晶圓級工藝，僅用于重新配置焊盤，經(jīng)過RDL技術(shù)處理的晶圓需采用傳統(tǒng)封裝工藝完成封裝。

圖5：采用RDL技術(shù)的芯片與剖面圖（? HANOL出版社 ）如果客戶想要以獨(dú)特的方式排列晶圓上的焊盤，那么，相較于引入新的晶圓制造工藝，在封裝過程中采用RDL技術(shù)重新排列現(xiàn)有晶圓上的焊盤更加高效。此外，RDL技術(shù)也可以用于中心焊盤芯片的芯片堆疊。

倒片封裝 (Flip Chip)

倒片封裝技術(shù)因其將芯片上的凸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)并安裝于基板等封裝體上而得名。與傳統(tǒng)引線鍵合一樣，倒片封裝技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)芯片與板（如基板）電氣連接的互連技術(shù)。
然而，倒片封裝技術(shù)憑借其優(yōu)越的電氣性能，已經(jīng)在很大程度上取代了引線鍵合。這其中有兩方面的原因：一是引線鍵合對于可進(jìn)行電氣連接的輸入/輸出（I/O）引腳的數(shù)量和位置有限制，而倒片封裝不存在這方面的限制；二是倒片封裝的電信號傳輸路徑短于引線鍵合。
在引線鍵合方法中，金屬焊盤在芯片表面采用一維方式排列，因此無法出現(xiàn)在芯片邊緣或中心位置。而倒片鍵合方法在鍵合至基板或形成焊接凸點(diǎn)的過程中不存在任何工藝方面的限制。因此，在倒片封裝方法中，金屬焊盤可以采用二維方式全部排列在芯片的一個(gè)側(cè)面，將金屬焊盤的數(shù)量增加了2的次方。此外，用于形成凸點(diǎn)的焊盤可以布置在芯片頂部的任何位置。同時(shí)，用于供電的焊盤可以布置在靠近需要供電的區(qū)域，以進(jìn)一步提升電氣性能。如圖6所示，在將信息從芯片導(dǎo)出至同一封裝球時(shí)，倒片鍵合的信號路徑要比引線鍵合短得多，電氣性能也由此得到進(jìn)一步改善。

圖6：引線鍵合與倒片鍵合的信號傳輸路徑對比（? HANOL出版社 ）
如前所述，WLCSP和倒片封裝均可以在晶圓頂部形成錫球。盡管兩種技術(shù)都可以直接安裝在PCB板上，但兩者之間在錫球大小方面卻存在根本區(qū)別。WLCSP封裝中的錫球直徑通常為幾百微米（μm），而倒片封裝技術(shù)形成的錫球直徑僅為幾十微米（μm）。由于尺寸較小，我們通常將倒片封裝技術(shù)形成的錫球稱為“焊接凸點(diǎn)”，而僅僅依靠這些凸點(diǎn)很難保障焊點(diǎn)可靠性。WLCSP封裝技術(shù)形成的錫球能夠處理基板和芯片之間熱膨脹系數(shù)差異所產(chǎn)生的應(yīng)力，但倒片封裝技術(shù)形成的焊接凸點(diǎn)卻無法做到這一點(diǎn)。因此，為了確保焊點(diǎn)可靠性，必須使用聚合物型底部填充材料填充倒片凸點(diǎn)之間的空間。底部填充材料可以分散凸點(diǎn)所承擔(dān)的應(yīng)力，由此確保焊點(diǎn)可靠性。
除了以上所述的封裝技術(shù)之外，還有許多不同的半導(dǎo)體封裝類型。歡迎掃描下方二維碼加入艾邦半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)鏈交流群，與行業(yè)人士一起交流。

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