半导体后端工艺｜半导体封装的作用、工艺和演变

1有源元件：一种需要外部电源才能实现其特定功能的器件，就像半导体存储器或逻辑半导体。

2无源元件：一种不具备放大或转换电能等主动功能的器件。

3电容器（Capacitor）：一种储存电荷并提供电容量的元件。

4锡（Solder）：一种低熔点金属，支持电气和机械键合。

5引线（Lead）：从电路或元件终端向外引出的导线，用于连接至电路板。

同时，封装需将半导体芯片和器件产生的热量迅速散发出去。在半导体产品工作过程中，电流通过电阻时会产生热量。如图3所示，半导体封装将芯片完全地包裹了起来。如果半导体封装无法有效散热，则芯片可能会过热，导致内部晶体管升温过快而无法工作。因此，对于半导体封装技术而言，有效散热至关重要。随着半导体产品的速度日益加快，功能日益增多，封装的冷却功能也变得越来越重要。

首先，由于散热已经成为封装工艺的一个重要因素，因此人们开发出了热传导⁶性能较好的材料和可有效散热的封装结构。

6热传导：指在不涉及物质转移的情况下，热量从温度较高的部位传递到相邻温度较低部位的过程。

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，因为封装会限制半导体产品的速度。例如，将一个速度达每秒20千兆 (Gbps) 的半导体芯片或器件连接至仅支持每秒2千兆(Gbps) 的半导体封装装置时，系统感知到的半导体速度将为每秒2千兆 (Gbps)。由于连接至系统的电气通路是在封装中创建，因此无论芯片的速度有多快，半导体产品的速度都会极大地受到封装的影响。这意味着，在提高芯片速度的同时，还需要提升半导体封装技术，从而提高传输速度。这尤其适用于人工智能技术和5G无线通信技术。鉴于此，倒片封装⁷和硅通孔（TSV）⁸等封装技术应运而生，为高速电信号传输提供支持。

7倒片封装（Flip Chip）：一种通过将凸点朝下安装于基板上，将芯片与基板连接的互连技术。

8硅通孔（TSV）：一种可完全穿过硅裸片或晶圆实现硅片堆叠的垂直互连通道。

9系统级封装（SiP）：一种将多个器件整合在单个封装体内构成一个系统的封装技术。

封装技术还呈现半导体器件小型化的发展趋势，即缩小产品尺寸。随着半导体产品逐渐被用于移动甚至可穿戴产品，小型化成为客户的一项重要需求。为了满足这一需求，许多旨在减小封装尺寸的技术随之而诞生。

此外，半导体产品正越来越多地应用于各种环境中。除了健身房、办公室或住宅等日常环境，热带雨林、极地地区、深海甚至太空等环境中也能见到半导体的身影。由于封装的基本作用是保护半导体芯片和器件，因此需要开发高度可靠的封装技术，确保半导体产品在此类极端环境下也能正常工作。

最后，由于半导体封装是最终产品，封装技术不仅要实现预期功能，还要具有较低的制造成本。

除了上述旨在推进封装技术特定作用的发展趋势，促使封装技术发生演变的另一个驱动力是整个半导体行业的发展。在图5中，红色线条表示自20世纪70年代以来装配过程中安装的印刷电路板（PCB）¹⁰的特征尺寸变化情况，绿色线条则表示晶圆上CMOS晶体管的特征尺寸变化情况。缩小特征尺寸有助在印刷电路板和晶圆上绘制更小的图案。

10印刷电路板（PCB）：由电路组成的半导体板，且元件焊接在电路板表面。这些电路板通常用于电子设备中。

由于主板以面板的形式制造，且受到成本节约策略等因素的影响，印刷电路板的特征尺寸变化不大。然而，随着光刻技术的进步，CMOS晶体管的特征尺寸大幅缩小，这使得CMOS晶体管的尺寸与印刷电路板的尺寸差距逐渐拉大。但问题在于，半导体封装技术需要对从晶圆上切割下来的芯片进行个性化定制，并将其安装到印刷电路板上，因此就需要弥补印刷电路板和晶圆之间的尺寸差距。过去，两者在特征尺寸上的差异并不明显，因而可以使用双列直插式封装（DIP）¹¹或锯齿型单列式封装（ZIP）¹²等通孔技术，将半导体封装引线插入印刷电路板插座内。然而，随着两者特征尺寸差异不断扩大，就需要使用薄型小尺寸封装（TSOP）等表面贴装技术（SMT）¹³将引线固定在主板表面。随后，球栅阵列（BGA）、倒片封装、扇出型晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）¹⁴及硅通孔（TSV）等封装技术相继问世，以弥补晶圆和主板之间不断扩大的尺寸差异。

11双列直插式封装（DIP）：一种电气连接引脚排列成两行的封装技术。

12锯齿型单列式封装（ZIP）：一种引脚排列成锯齿型的封装技术，是双列直插式封装的替代技术，可用于增加安装密度。

13表面贴装技术（SMT）：一种通过焊接将芯片安装到系统板表面的封装方法。

14晶圆级晶片尺寸封装（WLCSP）：一种在晶圆级封装集成电路的技术，是倒片封装技术的一个变体。扇出型晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）的特点在于连接超出（“扇出”）芯片表面。

一般来说，新芯片的开发和新封装技术的应用不会同时进行。原因在于，如果芯片和封装均未经过测试，那么一旦在封装完成后出现问题，就很难确定问题的原因。鉴于此，业界会使用已知缺陷较少的现有量产芯片来测试新的封装技术，以单独验证封装技术。在封装技术得到验证后，才会将其应用于新芯片的开发，进而再生产半导体产品。

图6展示了针对新芯片的封装技术开发流程。通常，在制造半导体产品时，芯片设计和封装设计开发会同时进行，以便对它们的特性进行整体优化。鉴于此，封装部门会在芯片设计之前首先考虑芯片是否可封装。在可行性研究期间，首先对封装设计进行粗略测试，以对电气评估、热评估和结构评估进行分析，从而避免在实际量产阶段出现问题。在这种情况下，半导体封装设计是指基板或引线框架的布线设计，因为这是将芯片安装到主板的媒介。

封装部门会根据封装的临时设计和分析结果，向芯片设计人员提供有关封装可行性的反馈。只有完成了封装可行性研究，芯片设计才算完成。接下来是晶圆制造。在晶圆制造过程中，封装部门会同步设计封装生产所需的基板或引线框架，并由后段制造公司继续完成生产。与此同时，封装工艺会提前准备到位，在完成晶圆测试并将其交付到封装部门时，立即开始封装生产。