半导体后端制造程：半导体封装的作用、制程和演化

中科院半导体所 · 公众号 · · 2024-06-06 16:46

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文章来源： Semika

原文作者： Semika

本文解释了封装技术的不同级别、不同制造，和封装技术演变过程。

制造完成的裸芯片是非常易碎的。所以，使用合适的包装以确保包裹完好，可以进行无损地移动和使用，是至关重要的步骤。聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫包装和金属外壳都可以用作包裹芯片的材料。

封装是半导体制造过程的关键阶段，可以保护芯片免受机械和化学损伤。然而，半导体封装的作用并不局限于保护，与外部进行线路连接，对多种芯片进行重新组合装配，这些同样非常重要。

封装工艺的四个层次

电子封装技术关系到器件的硬件结构。这些硬件结构由有源元件(如半导体)和无源元件(包括电阻器和电容器)组成。

有源元件：由于电路实现而执行某种功能的器件，如半导体存储器或逻辑半导体。
无源元件：一种没有主动功能的装置，如放大或转换电能。
电容器：储存电子并因此提供电容量的元件。

电子封装是一项非常广泛的技术，可以分为四个不同的级别，从0级到3级封装。如下图所示：

图1

0级封装： 整个半导体封装过程的开始，其中包括通过锯片分离芯片。
1级封装： 芯片级封装
2级封装 ：将芯片安装到模块或卡上
3级封装： 将与芯片和模块安装在一起的卡安装到系统板上。

从广义上讲，这整个过程通常被称为“封装”或“组装”。然而，在半导体行业，半导体封装一般只指晶圆锯切和芯片级封装的过程。

封装通常采用细间距球栅阵列(FBGA)或薄小轮廓封装(TSOP)的形式，如图2所示。当FBGA上的焊料和TSOP上的引线充当引脚时，这些封装允许芯片与外部组件进行电气和机械连接。

焊料：一种能在低温下熔化的金属，既能电结合又能机械结合。
引线：从电子电路或元件的端子上伸出来连接到电路板上的导线。

图2

封装的功能和作用

半导体封装的四个主要作用：机械保护、电气连接、机械连接和散热。

图3

芯片是由数百种晶圆工艺制成的，以实现各种功能，但它们的基础材料是硅。硅本身就像一块玻璃一样容易破碎，经过多次晶圆加工后形成的结构也同样容易受到机械和化学损伤。因此，封装材料对保护芯片至关重要。

此外，半导体封装负责将芯片与系统进行电气和机械连接。该封装将芯片与系统电连接起来，为芯片提供电力，同时也为信号的输入和输出创造了一条途径。同时，芯片需要外界进行可靠的机械连接，以确保它们在使用过程中与系统保持物理连接。

同时，封装需要快速散热半导体芯片和器件产生的热量。当半导体产品工作时，电流就会流动。这不可避免地会产生阻力，然后产生热量。如果半导体封装不能有效地散热，芯片可能会过热，导致内部晶体管过热而无法工作。因此，半导体封装有效散热是必不可少的。随着半导体产品的发展速度越来越快，功能越来越多，封装的冷却功能变得越来越重要。

半导体封装的发展趋势

半导体封装技术多年来的六大发展趋势如下图。

图4

首先，由于散热（thermal Dissipation)已经成为封装过程中的一个重要因素，导热性好的材料和能有效散热的封装结构已经被开发出来。

导热系数：一种测量热量从高温区域转移到邻近的较低温度区域而不涉及物质运动的方法。

能够支持高速电信号传输(Hight-Speed Signal Transmission)的封装技术也是一个重要的趋势，因为封装可以限制半导体产品的速度。例如，如果可以达到每秒20千兆比特(Gbps)速度的半导体芯片或设备与只能支持2gbps的半导体封装连接，系统将感知到半导体具有2gbps的速度。无论芯片的速度有多快，半导体产品的速度都受到封装的极大影响，因为通往系统的电子路径是在封装中创建的。这强调了芯片速度的提高需要遵循半导体封装的技术进步，以实现高传输速度。这尤其适用于人工智能和5G无线通信技术。鉴于此，诸如倒装芯片封装和硅通孔(TSV)等封装技术已被开发出来，以支持高速电信号传输。

倒装芯片： 一种将芯片和衬底电连接起来的互连技术。

半导体后端制造程：半导体封装的作用、制程和演化

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