一文看懂半导体封装技术

电子封装是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序,是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。按目前国际上流行的看法认为,在微电子器件的总体成本中,设计占了三分之一,芯片生产占了三分之一,而封装和测试也占了三分之一。

封装研究在全球范围的发展是如此迅猛,而它所面临的挑战和机遇也是自电子产品问世以来所从未遇到过的;封装所涉及的问题之多之广,也是其它许多领域中少见的,它是从材料到工艺、从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等一门综合性非常强的新型高科技学科。

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什么是封装

封装,是把集成电路装配为芯片最终产品的过程,简单地说,就是把铸造厂生产出来的集成电路裸片放在一块起到承载作用的基板上,把管脚引出来,然后固定包装成为一个整体。

封装最初的定义是保护电路芯片免受周围环境的影响(包括物理、化学的影响)

芯片封装是利用膜技术及微细加工技术,将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接,引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体结构的工艺。

电子封装工程:将基板、芯片封装体和分立器件等要素,按电子整机要求进行连接和装配,实现一定电气、物理性能,转变为具有整机或系统形式的整机装置或设备。

集成电路封装能保护芯片不受或者少受外界环境的影响,并为之提供一个良好的工作条件,以使集成电路具有稳定、正常的功能。

芯片封装能实现电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑、环境保护。


封装技术的层次

第一层次,又称为芯片层次的封装,是指把集成电路芯片与封装基板或引脚架之间的粘贴固定电路连线与封装保护的工艺,使之成为易于取放输送,并可与下一层次的组装进行连接的模块元件。

第二层次,将数个第一层次完成的封装与其他电子元器件组成一个电子卡的工艺。

第三层次,将数个第二层次完成的封装组成的电路卡组合成在一个主电路版上使之成为一个部件或子系统的工艺。

第四层次,将数个子系统组装成为一个完整电子产品的工艺过程。

它们依次是芯片互连级(零级封装)、一级封装(多芯片组件)、二级封装(PWB或卡)三级封装(母板)。


封装的分类

按照封装中组合集成电路芯片的数目,芯片封装可分为:单芯片封装与多芯片封装两大类;

按照密封的材料区分,可分为高分子材料和陶瓷为主的种类;

按照器件与电路板互连方式,封装可区分为引脚插入型和表面贴装型两大类;

按照引脚分布形态区分,封装元器件有单边引脚,双边引脚,四边引脚,底部引脚四种。

常见的单边引脚有单列式封装与交叉引脚式封装;

双边引脚元器件有双列式封装小型化封装;

四边引脚有四边扁平封装;

底部引脚有金属罐式与点阵列式封装。


封装的名词解释

SIP:单列式封装 SOP:小型化封装 MCP:金属鑵式封装

DIP:双列式封装 CSP:芯片尺寸封装 QFP:四边扁平封装

PGA:点阵式封装 BGA:球栅阵列式封装 LCCC:无引线陶瓷芯片载体


先进封装技术SIP

随着物联网时代和全球终端电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计,因而使得可将多颗裸晶整合在单一封装中的SiP技术日益受到关注。除了既有的封测大厂积极扩大SiP制造产能外,晶圆代工业者与IC基板厂也竞相投入此一技术,以满足市场需求。


SIP的定义

根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。

因此,从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。

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SOC的定义

将原本不同功能的 IC,整合在一颗芯片中。藉由这个方法,不但可以缩小体积,还可以缩小不同 IC 间的距离,提升芯片的计算速度。SoC称为系统级芯片,也有称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/硬件划分,并完成设计的整个过程。

随着封装技术持续演进,加上终端电子产品朝向轻薄短小趋势,因此,对SiP需求亦逐渐提升。

SiP生产线须由基板、晶片、模组、封装、测试、系统整合等生态系共同组成,才能够顺利发展。反之,若缺乏完整生态系,便难以推动SiP技术具体实现。

由于SiP技术可将多种晶片封装于单一封装体内而自成系统,因此具有高整合性与微型化特色,适合应用于体积小、多功能、低功耗等特性的电子产品。

以各种应用来看,若将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合,便能缩小封装体积以节省空间,并缩短元件间的连接线路而使电阻降低,提升电性效果,最终呈现微小封装体取代大片电路载板的优势,又仍可维持各别晶片原有功能。因此,高整合性与微型化特色,使SiP成为近年来封装技术发展趋势。

此外,因SiP是将相关电路以封装体完整包覆,因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗应力(Anti-stress)能力,可提高产品整体可靠性,对产品寿命亦能提升。

相较于SoC来说,SiP毋须进行新型态晶片设计与验证,而是将现有不同功能的晶片,以封装技术进行整合 。

大致上来说,现阶段SiP常用的基本封装技术,包括普遍应用于智慧型手机的Package on Package(PoP)技术,将逻辑IC与记忆体IC进行封装体堆叠。将主动与被动元件内埋于基板的嵌入式技术(Embedded),以及多晶片封装(MCP)、多晶片模组(MCM)、Stacking Die、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等,也属于SiP技术范畴。


智慧型手机扮演SiP成长驱动主力

与个人电脑时代相比,行动装置产品对SiP的需求较为普遍 。就以智慧型手机来说,上网功能已是基本配备,因此与无线网路相关的Wi-Fi模组便会使用到SiP技术进行整合。

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基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨识功能,其相关晶片封装亦需要SiP协助整合与缩小空间,使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市场;另外,压力触控也是智慧型手机新兴功能之一,内建的压力触控模组(Force Touch)更是需要SiP技术的协助。

除此之外,将应用处理器(AP)与记忆体进行整合的处理器模组,以及与感测相关的MEMS模组等,亦是SiP技术的应用范畴。


穿戴装置/物联网,驱动SiP需求上扬

全球终端电子产品的发展不断地朝向轻薄短小、多功能、低功耗等趋势迈进, SiP的成长潜力越来越大。2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后,SiP技术拓及应用到穿戴式产品。

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此外, 在万物联网的趋势下,必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、智慧交通、智慧医疗,以及智慧家庭等网路,多功能异质晶片整合预估将有庞大需求,低功耗也会是重要趋势。

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页面更新:2024-06-03

标签:组合   晶片   技术   模组   穿戴   集成电路   半导体   电子产品   器件   电路   芯片   层次   功能   工艺   数码   系统   产品

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