半导体封装在芯片前道工艺技术节点改进有限的情况下，可以通过对芯片间的互连优化，使芯片系统尺度实现算力、功耗和集成度等性能指标方面的跃升，因此也被视为突破传统摩尔定律的一大关键技术方向。随着众多应用场景对高算力、高带宽、低延迟、低功耗、更大内存等特性提出更高要求，系统集成中扮演重要角色的先进封装技术也迎来前所未有的发展机遇。据市场调研机构YOLE数据显示，2022年先进封装市场的总营收预计为443亿美元，预计到2028年将达到786亿美元，年复合增长率达到10%。本文就来介绍下半导体封装以及目前市面上主要的几种先进封装技术。

电子封装电气作业示意图（图源：文献1）

一、什么是封装技术

半导体的产业链可分为半导体设计、晶圆制造、封装测试、设备和材料四大环节。相较其他环节，封装测试环节的行业进入门槛较低，是我国集成电路国产产业化率最高的环节。封装测试环节中，封装环节的价值占比在80-85%，测试环节价值占比在15-20%。封装技术主要是指安装集成电路芯片外壳的过程，包括将制备合格的芯片、元件等装配到载体上，采用适当的连接技术形成电气连接，安装外壳，构成有效组件的整个过程。其主要目的是为了保护芯片，减少外部环境对器件电气性能、热性能和机械性能的影响，将裸芯片转变为电路板上可使用的封装组件。封装技术主要包含芯片切割、贴片工艺、焊接键合技术、塑封工艺、后固化工艺、测试工艺及打标工艺，每个环节都需要核定载体，确保在引线框架结构之内，通过粘合剂和焊接的方式完成。

封装工艺流程图（图源：文献1）

二、封装技术发展史

封装技术的发展史大致分为三个阶段：第一阶段（1970年以前）是元件插装时代，主要采用通孔插装型封装。代表的封装形式有晶体管封装（TO）、双列直插封装（DIP）等技术，电子元件被手工插入电路板的孔中，尺寸较大且制造过程相对简单；第二阶段（1970—1990年）是表面贴装时代，主要采用塑料有引线片式载体封装（PLCC）、塑料四边引线扁平封装（PQFP）、小外形封装（SOP）等技术，元件开始直接贴装在印刷电路板表面，从而实现更紧凑的设计；第三阶段（1990—至今）是面积阵列封装时代，主要采用焊球阵列封装（BGA）、晶圆级封装（WLP）、多芯片组封装（MCM）、系统级封装（SIP）、三维立体封装（3D）等技术，这些封装技术进一步提高了芯片的集成度和性能，同时增强了电路板对热应力和机械应力的抵抗能力。前面两个阶段被称为传统封装，其主要通过焊线连接芯片和引线框架，引线框架再连接到PCB上，实现芯片保护、尺度放大、电气连接三项功能；第三阶段开始称为先进封装，它主要采用键合互连并利用封装基板来实现封装，其封装技术的种类比较繁多，通过对芯片进行封装级重构，以有效的提升系统性能。

三、常见的几种先进封装技术

1.焊球阵列封装（BGA）

BGA，又称焊球阵列封装，是目前微电子封装中使用最多的技术之一。它诞生于上世纪90年代，技术成熟度较高，主要是将I/O端与基板通过球柱形焊点阵列进行封装，通常作为表面固定来使用。在封装的过程中，使用焊球代替引线，引出路径较短，减少了引脚的延迟。焊球在电子板上是平面排列的，在面积相同的情况下，使用BGA封装技术封装的微电子元件引脚的数量更多，封装的密度更加高。除此之外，BGA封装技术与微电子封装设备和安装工艺之间具有较强的适应性，有效的提升了封装技术的可靠性，避免微电子在封装的过程中出现引线变形的现象，组装效率相较其他技术有很大的提高。

PBGA内部结构示意图（图源：文献4）

2.晶圆级封装（WLP）

晶圆级芯片封装是在晶圆上通过薄膜、光刻、电镀、干湿法刻蚀等工艺来完成封装和测试，最后进行切割制造出单个封装成品的一种集成电路封装技术。在工艺流程中，芯片晶圆和封装衬底是通过键合方式进行密封结合的，信号线与地线会分别从器件晶圆引出，在封装完成后再对晶圆进行测试、切割。因为它的封装是在整个晶圆上进行的，而不是在单个芯片上，可以有效减少封装尺寸、提高集成化程度和生产效率，不会有引出端横向伸展出芯片之外，其封装所占印制板面积等于管芯面积，封装比例等于或接近于1，封装厚度薄、质量小、体积小，引出端引线短，可以有效提高整机的封装密度，电磁兼容性和电热性能较好，产品的可靠性更高。

WLP结构示意图（图源：文献5）

3.系统级封装（SIP）

SIP是将多个不同功能的芯片和组件封装在同一个塑封体中，以形成一个完整的系统，适用于需要多种功能的复杂应用，它是处在芯片与整机系统间的功能器件的封装。它能够在不增加芯片尺寸的情况下，提高集成度、减小体积，减少电路板（PCB）对外围器件的依赖，为设备提供更高的性能与更低的能耗，具有良好的抗机械和化学腐蚀的能力以及高可靠性。目前3DNAND应用中的ManagedNAND、eMCP产品已开始广泛应用，即将堆叠的NAND芯片、倒装或使用细金属线连接的控制芯片以及电容电阻互连在一个封装体中，以实现系统集成。同时可以根据产品需求的不同，增加芯片的数量、种类，以实现异构、异质集成，减少封装体积，降低系统成本。SIP技术常用于移动通讯、数码家电、汽车电子等领域。

SIP封装结构图（图源：文献2）

*NAND闪存：是一种常见的非易失性存储技术，它允许数据在单个晶体管中存储，可以快速的读取和写入数据，在断电的情况下也可以保持数据，具有较高的存储密度。

*eMCP（嵌入式多芯片封装）是一种先进的存储技术，专为空间受限的移动设备、物联网设备和嵌入式应用而设计。

4.三维立体封装（3D）

3D封装技术也称为三维封装，主要通过将多个芯片垂直堆叠，利用TSV、硅中介层、微凸点等技术实现层间互连，以显著提高集成度和性能。3D封装技术主要包括埋置型3D封装、WSI以及叠层3D封装。埋置型3D封装是将需要进行封装的各种元件埋置在基板或布线介质层中，再对对顶层进行贴装，从而完成封装工作。WSI，又称硅圆片规模集成封装，是先进行硅圆片集成，再在源基板上进行多层布线，最后进行顶层贴装，完成封装工作。叠层3D封装是在传统的2D封装基础上，通过叠层的方式对芯片、圆片进行封装。目前，叠层3D封装因其对2D封装技术具有更好的兼容性，相较其他3D封装技术发展更为迅速。3D封装技术在相同或更小的空间内，可以封装更多的芯片，以实现更高密度的封装。3D封装技术信号路径的增多和缩短，使得芯片间的通信速度大幅度提升，功耗有效降低，电性能和热性能较为突出，封装的可靠性更高。

3D结构示意图（图源：文献7）

小结

目前，先进封装技术仍处在发展的过程中，它需要面临晶圆翘曲、封装散热、电迁移以及疲劳失效等多方面的挑战。作为AI芯片的关键技术，先进封装技术的国产替代化是我们的必经之路，也是预防被西方国家“卡脖子”的有效措施，支撑技术迭代升级的新材料也将是国内企业取得发展，接轨世界必须关注的重中之重。

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