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干货丨电子制造12种最主流先进封装技术,半导体IC芯片最强科普!
2022年06月07日 08:19   浏览:724   来源:香



电子制造先进封装技术从未如此重要过,IC芯片半导体先进封装技术已成为了各大晶圆厂、封测厂商甚至一些Fabless的重点投入领域。


在科技领域,很多突破都与“多”和“大”有关,但是在集成电路领域,有一个部件正在不断地往“小”的方向发展,那就是晶体管。当我们觉得手机变得更好,汽车变得更好,电脑变得更好时,那是因为在背后,晶体管变得更好,我们的芯片中有更多的晶体管。



芯片在许多方面都是现代经济的命脉。它们为电脑、智能手机、汽车、电器和其他许多电子产品提供动力。但自疫情以来,世界对它们的需求激增,这也导致供应链中断,导致全球短缺。


随着5G、高性能运算、人工智能(AI)和物联网技术的迅速发展,数字化进程加快,芯片市场需求提高显著。


另一方面,疫情爆发催生出了“宅经济”效应,远程办公及学习人数剧增,数码设备需求加大也推动着芯片需求上升。

电子系统的集成主要分为三个层次(Level):芯片上的集成,封装内的集成,PCB板级集成,如下图所示:

芯片上集成的基本单元是晶体管Transistor,我们称之为功能细胞 (Function Cell),大量的功能细胞集成在一起形成了芯片。

封装内集成的基本单元是上一步完成的裸芯片或者小芯片Chiplet,我们称之为功能单元 (Function Unit),这些功能单元在封装内集成形成了SiP。


PCB上集成的基本单元是上一步完成的封装或SiP,我们称之为微系统(MicroSystem),这些微系统在PCB上集成为尺度更大的系统。

可以看出,集成的层次是一步步进行的,每一个层次的集成,其功能在上一个层次的基础上不断地完善,尺度在也不断地放大。

到了PCB这一层次,电子系统的功能已经比较完备,尺度也已经放大适合人类操控的地步,加上其他的部件,就构成了人们最常用的系统——常系统 (Common System),例如我们每天接触的手机或电脑。





国内IC封装业起步早、发展快,但目前仍以传统封装为主。虽然近年中国本土先进封测四强(长电、通富、华天、晶方科技)通过自主研发和兼并收购,已基本形成先进封装的产业化能力,但从先进封装营收占总营收的比例和高密度集成等先进封装技术发展上来说,中国总体先进封装技术水平与国际领先水平还有一定的差距。



集成电路包括IDM和垂直分工两种模式,目前垂直分工模式逐渐崛起。IDM作为垂直产业链一体化模式,由一家厂商完成设计、制造、封测三个环节,代表厂商包括英特尔、三星、德州仪器、意法半导体等。垂直分工模式下三个环节分别由专门的厂商完成,全球IC设计企业包括高通、博通、联发科、华为海思等;IC制造企业主要有台积电、中芯国际等;IC封装测试企业主要有日月光、安靠、长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技等。由于集成电路行业投资巨大,垂直分工模式下企业能够降低运营和研发风险,随着fabless模式在集成电路领域兴起,垂直分工模式逐渐崛起。



半导体产品在由二维向三维发展,从技术发展方向半导体产品出现了系统级封装(SiP)等新的封装方式,从技术实现方法出现了倒装(FlipChip),凸块(Bumping),晶圆级封装(Waferlevelpackage),2.5D封装(interposer,RDL等),3D封装(TSV)等先进封装技术。


先进封装技术在提升芯片性能方面展现的巨大优势,吸引了全球各大主流IC封测厂商在先进封装领域的持续投资布局。


近些年,先进封装技术不断涌现,新名词也层出不穷,让人有些眼花缭乱,目前可以列出的先进封装相关的名称至少有几十种。




例如:WLP(Wafer Level Package), FIWLP(Fan-in Wafer Level Package), FOWLP(Fan-Out Wafer Level Package), eWLB(embedded Wafer Level BallGrid Array), CSP(Chip Scale Package), WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package), CoW(Chip on Wafer), WoW(Wafer on Wafer), FOPLP(Fan-Out Panel Level Package), InFO(Integrated Fan-Out), CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate), HBM(High-Bandwidth Memory), HMC(Hybrid MemoryCube), Wide-IO(Wide Input Output), EMIB(Embedded Multi-Die Interconect Bridge), Foveros, Co-EMIB, ODI(Omni-Directional Interconnect), 3D IC, SoIC, X-Cube…等等…这些都属于先进封装技术。


说到这里需要简单介绍一下所谓的“BGA焊球”。

我们知道早期的芯片是通过引线键合的方式把晶圆上的电路与基板连接起来的。这种封装方式容易产生阻抗效应,同时芯片尺寸比较大。

引线键合:芯片与电路或引线框架之间的连接


因此当手机等移动终端设备爆发后一种更先进的封装方式FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array/倒装芯片球栅格阵列)就大面积普及开了。FCBGA的特点是用直径百微米级的BGA焊球替代金线,以晶片倒扣在基板的方式实现了晶圆电路与基板电路的连接。

BGA焊球的沉积


随着终端应用如手机、电脑、AI等更加智能化、精密化发展,其对高算力、高集成化芯片的需求提升,传统封装集成技术已不能满足市场需求,随之以FlipChip(倒装)、2.5D/3D IC(立体封装)、WLP(晶圆级封装)、Sip(系统级封装)为代表的先进封装技术将成为未来发展趋势。


IC芯片自动烧录


传统封装技术效率较低,封装体积大。先进封装技术能实现更高密度的集成,减少面积浪费,缩小芯片间的连接距离,提高元器件的反应速度,极大降低成本。

被业界称为“芯片高级乐高游戏”的先进封装,不断吸引大厂争相投入。无论是台积电、三星、英特尔,还是传统的OSAT厂商日月光、安靠、长电科技等都加大先进封装产业布局、在技术对决上形成强烈竞争。


台积电:

图|台积电-SoIC,整体 3D 系统集成


TSMC(台积电)目前已将其先进封装相关技术2.5/3D, 整合为"3D Fabric"集成化技术 ,可以应用到不同类型的芯片(例如处理器、内存或传感器)堆叠,能实现芯片尺寸更小、性能更强,降低成本。


三星:

图|三星 X-Cube


三星现以I-Cube(2.5D)、X-Cube(3D)两种封装技术为主,其立足于自身存储技术优势,运用2.5/3D堆叠封装技术协助客户降低设计成本,这很大程度上确保其封装产能规模稳定扩充。


英特尔:

图|英特尔 Foveros

英特尔拥有可实现逻辑计算芯片高密度的 3D 堆叠封装技术 Foveros;融合了2D 和 3D 封装技术的Co-EMIB;未来会进一步开发“全新全方位互连(ODI)技术”,为多芯片封装中的小芯片之间的全方位互连通信提供更高的灵活性。


        CSP封装技术概述       



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