在传统封装领域,人们常常会想到一些知名的封装测试企业,如日月光(ASE)、安靠(Amkor)、长电科技(JCET)、华天科技(HT)和通富微电(TF)等.然而,当我们谈及先进封装技术时,目前最受瞩目的却是台积电(TSMC)、英特尔(Intel)和三星(SAMSUNG)等这些顶尖的半导体晶圆制造厂商,这背后的原因是什么呢?
1. 传统封装与先进封装的区别
功能
传统封装
:主要功能是芯片保护、尺度放大和电气连接。它通过引线键合等方式将芯片与外部电路连接,并提供机械保护和散热。先进封装
:在传统封装的基础上,增加了提升功能密度、缩短互联长度和进行系统重构的功能。例如,通过晶圆级封装和系统级封装(SiP),可以在不依赖芯片制程工艺突破的情况下,提高产品集成度和功能多样化。:台积电在2nm芯片技术上取得突破,标志着芯片制程已经接近物理极限。在这种情况下,台积电的总裁魏哲家多次强调先进封装技术的重要性。他指出,先进封装技术是后摩尔时代提升芯片性能的主要手段。台积电推出了多种先进封装技术,如3DFabric和SoIC,这些技术通过芯片堆叠和异构集成,能够在不缩小制程的情况下提升芯片的性能和集成度。例如,SoIC技术可以将不同尺寸、功能、节点的晶粒进行异质整合,从而实现更高的运算效率和更小的面积尺寸。这些创新使得台积电能够在制程接近极限时,继续推动芯片性能的提升。
技术
传统封装
先进封装
:采用倒装芯片、晶圆级封装、2.5D/3D封装等技术,能够实现更高的集成度和性能。
2. 半导体晶圆厂在先进封装领域的优势
3. 先进封装和传统封装的分界点
技术特征
连接方式
:传统封装通常采用引线键合(Wire Bonding)的方式,将芯片的焊盘与引线框架或基板上的引脚相连。:先进封装则采用倒装芯片(Flip-Chip)、晶圆级封装(WLP)、2.5D/3D封装等技术,通过金属凸点(Bump)、重布线层(RDL)、硅通孔(TSV)等方式实现芯片与基板的电气连接。先进性简单排序大致如下:Bump → RDL → Wafer → TSV。封装层次
:传统封装主要在芯片级(如DIP、SOP、QFP等)和板卡级进行。:先进封装则扩展到了晶圆级(如WLP)和系统级(如SiP),甚至在晶圆级别进行封装和测试。
性能与集成度
集成度
:传统封装的集成度相对较低,芯片与封装之间的距离较大,限制了芯片的性能。:先进封装则通过更紧凑的设计和制程技术,显著提高了集成度,能够在更小的空间内实现更高的设备密度。性能提升
:先进封装技术能够缩短芯片间的互联长度,减少信号传输延迟,提高信号传输速度和系统性能。例如,3D封装技术通过多芯片堆叠,大幅降低了芯片间的连接距离。
应用场景
应用领域
:传统封装主要用于一些对性能要求不高的应用,如简单的电子设备和一些传统的消费电子产品。:先进封装则广泛应用于高性能计算、人工智能、移动设备等对性能和集成度要求更高的领域。市场需求
:随着人工智能、5G通信等新兴技术的发展,对芯片性能和集成度的要求不断提高,传统封装逐渐无法满足市场需求,而先进封装技术应运而生。:2022年全球封测市场规模约为815亿美元。预计到2026年,这一市场规模将达到961亿美元。在先进封装市场方面,2022年的市场规模约为378亿美元,预计到2026年将增长到522亿美元。这一增长速度远超整体封测市场的增长速度,先进封装的市场份额也将逐渐超越传统封装。
产业链角色
产业链分工
:传统封装主要由OSAT(外包半导体封装和测试)公司负责,这些公司在封装和测试方面具有丰富的经验和专业能力。:先进封装则涉及到更多的产业链角色,包括晶圆厂(Foundry)、IDM厂商以及系统厂商等。晶圆厂凭借其在工艺技术和设备方面的优势,在先进封装领域发挥了重要作用。
综上所述,传统封装与先进封装的分界点主要体现在连接方式、封装层次、性能与集成度、应用场景以及产业链角色等方面。随着技术的发展和市场需求的变化,先进封装技术正在不断推动半导体行业向更高性能、更高集成度的方向发展.
4. 先进封装的先进排序: Bump → RDL → Wafer → TSV
在先进封装技术的发展过程中,Bump、RDL、Wafer和TSV各自代表了不同的技术进步和应用场景。
Bump(凸点)
先进性
:作为倒装芯片封装的核心技术,Bump是先进封装技术的基础之一。特点
界面互联
:实现芯片与基板之间的电气和机械连接,是芯片与外部电路直接相连的关键。应力缓冲
应用
:广泛应用于各种高性能芯片的封装中,如CPU、GPU等。
RDL(重布线层)
先进性
:在XY平面内进行电气延伸,是实现复杂封装结构的重要技术。特点
电气重布线
:重新分配芯片的I/O引脚位置,支持高密度的信号传输。多层布线
:可以形成多层RDL结构,进一步提高封装的集成度和灵活性。
应用
:用于扇出型封装(FOWLP)、晶圆级封装(WLP)等先进封装技术中。
Wafer(晶圆)
先进性
:作为集成电路的载体,晶圆是所有封装技术的基础,但在先进封装中,其作用更加重要。特点
介质和载体
:为RDL和TSV提供介质和载体,支持晶圆级封装和多芯片集成。工艺集成
:在晶圆级别进行封装和测试,可以与其他工艺(如RDL、TSV)紧密结合。
应用
:是实现晶圆级封装(WLP)、扇出型封装(FOWLP)等技术的基础。
TSV(硅通孔)
先进性
:在Z轴方向上实现电气延伸,是3D封装技术的核心。特点
垂直互连
:允许电信号在芯片的不同层之间垂直传输,显著提高互连密度和集成度。硅通孔实现了垂直方向的电气互连,是2.5D和3D集成封装的核心技术。通过在硅片中制造垂直通孔,TSV能够实现芯片之间的直接连接,大幅提高集成度和信号传输速度,降低功耗和延迟.复杂工艺
:需要在硅片中形成通孔并填充金属,工艺复杂度较高。
应用
:主要用于3D集成电路和2.5D封装,实现多芯片堆叠和异构集成。
排序分析
Bump:作为基础的界面互联技术,是先进封装的起点。
RDL:在XY平面内进行电气延伸,是实现复杂封装结构的关键。
Wafer:作为集成电路的载体,其在先进封装中的作用更加重要,支持晶圆级封装和多芯片集成。
TSV:在Z轴方向上实现电气延伸,代表了3D封装技术的先进性,是实现高集成度和高性能的关键。
这种排序反映了从基础的界面互联到复杂的三维集成技术的发展趋势,每一种技术都在其特定的应用场景中发挥着重要作用。这四大技术相互配合,共同推动了芯片封装的小型化、高密度和高性能化,为半导体行业的发展提供了重要的技术支持。
先进封装技术在摩尔定律逐渐失灵的情况下,成为提升芯片性能的有效手段。它通过更先进的材料、工艺和设计理念,对芯片进行封装级重构,实现更高的系统功能密度、更好的性能以及更小的尺寸。对于国内芯片产业来说,先进封装技术是一条重要的追赶国际龙头的“捷径”,因为它可以在不缩小制程的情况下提升芯片的性能和集成度
参考文献:
1. https://reversepcb.com/redistribution-layer/
2.https://anysilicon.com/understanding-wafer-level-packaging/
3.https://blog.csdn.net/ffdia/article/details/116222777
4.https://blog.csdn.net/flomingo1/article/details/139355326
5.https://www.farcien.cn/show-6-32-1.html