為什么封裝現(xiàn)在很重要

封裝曾經(jīng)是半導(dǎo)體制造過程中的事后想法，不被大家重視。當(dāng)你創(chuàng)造了這一小塊神奇的硅片之后，然后把他用某種方法封裝起來，同時(shí)引出管腳，一顆芯片就誕生了。但是隨著摩爾定律的延伸，工程師們意識到，他們可以利用對芯片的所有部分，包括封裝在內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，來制造出最好的產(chǎn)品。

更令人驚訝的是，過去沒有一家封裝公司被認(rèn)為像傳統(tǒng)的前端制造工藝那樣重要。封裝供應(yīng)鏈通常被認(rèn)為是"后端"，并被視為成本中心，類似于銀行業(yè)的前臺和后臺。但現(xiàn)在，隨著前端難以更好的縮小芯片尺寸，一個全新的關(guān)注領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)，這就是對先進(jìn)封裝的重視。

接下來我們討論一下封裝的發(fā)展簡史，從簡單的DIP封裝一直到先進(jìn)的2.5D或3D封裝。

封裝發(fā)展簡介

這是我從這個精彩的視頻座中發(fā)現(xiàn)的封裝技術(shù)的簡要層次結(jié)構(gòu)。如果你有一些時(shí)間，可以看一下。（視頻發(fā)表于2012年，但是當(dāng)時(shí)已經(jīng)提到了現(xiàn)在最新的3D封裝技術(shù)，所以并不過時(shí)）

封裝技術(shù)一個簡化的演變過程是：DIP>QFP>BGA>POP/SiP>WLP

顯然，有很多不同的封裝技術(shù)，但我們要討論的是大致能代表每種類型的簡單技術(shù)，然后慢慢將其帶到現(xiàn)在。我也非常喜歡下圖這個高層次的概述（不過它已經(jīng)過時(shí)了，但仍然正確）。

在封裝的最初階段，裸片通常采用陶瓷或金屬罐封（氣密），以實(shí)現(xiàn)最大的可靠性。這主要適用于航空航天和軍事應(yīng)用，這些功能需要最高水平的可靠性。然而，對于我們的大多數(shù)日常用例來說，這并不是真正可行的，所以我們開始使用塑料封裝和雙列直插封裝（DIP）。

DIP封裝（1964-1980年代）

最早的DIP包裝元件是由仙童半導(dǎo)體司的Bryant Buck Rogers在1964年時(shí)發(fā)明，在表面貼裝技術(shù)問世之前的十年里，它被廣泛應(yīng)用。DIP在實(shí)際的裸片周圍使用塑料封裝外殼（編輯注：實(shí)際上陶瓷封裝的軍品芯片也大批采用了DIP封裝），并有兩排平行的突出的引腳，稱為引線框架，與下面的PCB（印刷電路板）相連。

實(shí)際的芯片通過鍵合線連接到兩個引線框架，兩個引線框架可以連接到印刷電路板（PCB）。DIP封裝以復(fù)古的方式具有標(biāo)志性，設(shè)計(jì)選擇是可以理解的。實(shí)際的裸片將完全密封在樹脂中，因此它帶來了高可靠性和低成本，并且許多首批標(biāo)志性的半導(dǎo)體都是以這種方式封裝的。請注意，芯片通過導(dǎo)線連接到外部引線框架，這使其成為一種"引線鍵合"封裝方法。稍后將對此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

下面是英特爾8008--實(shí)際上是第一批現(xiàn)代微處理器之一。注意它的標(biāo)志性DIP封裝。因此，如果你看到那些看起來像小蜘蛛的半導(dǎo)體的時(shí)髦照片，這只是一個DIP封裝類的半導(dǎo)體。

英特爾的原始微處理器，8008 家族

然后，這些小金插針中的每一個都被焊接到PCB上，在那里它與其他電氣元件和系統(tǒng)的其余部分接觸。以下是封裝如何焊接到PCB板上。

PCB本身通常是由銅或其他電氣元件由非導(dǎo)電材料層壓而成。然后，PCB板可以將電信號從一個地方輸送到另一個地方，并讓個元件相互連接和通信。

雖然DIP還有其他演繹版，但實(shí)際上是時(shí)候轉(zhuǎn)向始于20世紀(jì)80年代的下一個封裝技術(shù)范式或表面貼裝封裝了。

表面貼裝封裝（1980-1990年代）

下一步的變化不是通過DIP安裝產(chǎn)品，而是引入表面貼裝技術(shù)（SMT）。正如所暗示的那樣，封裝直接安裝在PCB的表面上，并允許在一塊基板上使用更多的元件并降低成本。下圖是典型的表面貼裝封裝。

這種封裝有許多變體，在半導(dǎo)體創(chuàng)新的鼎盛時(shí)期，這一直是很長一段時(shí)間的主力。值得注意的是，大部分芯片都是4個側(cè)面都有引腳。這遵循了封裝的一般愿望，即占用更少的空間并增加連接帶寬或I / O。每一項(xiàng)額外的進(jìn)步都會考慮到這一點(diǎn)，并且是一種值得關(guān)注的模式。

這個過程曾經(jīng)是手動的，但現(xiàn)在是高度自動化的。此外，這實(shí)際上為PCB創(chuàng)造了相當(dāng)多的問題，如popcorning。封裝爆裂是指在焊接過程中，塑料封裝內(nèi)的水分被加熱，由于快速加熱和冷卻，水分在PCB上造成問題。另一件需要注意的事情是，隨著封裝工藝的每一次提升，復(fù)雜性和故障也會隨之增加

球柵封裝和芯片級封裝（1990年代至2000年代）

隨著對半導(dǎo)體速度的需求不斷提高，對更好封裝的需求也在不斷增加。雖然出現(xiàn)了QFN（四方扁平無引線）和其他表面貼裝技術(shù)，但我想向你介紹一種我們在未來必須了解的封裝設(shè)計(jì)的開端，這就是廣泛使用的球柵陣列（BGA）封裝的開始。

這些焊球或凸起被稱為焊料凸起/球

這就是球柵陣列的外觀，可以從下面直接將一塊硅片安裝到PCB或基板上，而不是像以前的表面貼裝技術(shù)那樣簡單地將所有4端的角落貼上膠帶。

因此，這只是我上面列出的趨勢的另一個延續(xù)，占用更少的空間，有更多的連接。現(xiàn)在，我們不再是用電線細(xì)細(xì)地連接每一側(cè)的封裝，而是直接將一個封裝連接到另一個。這導(dǎo)致了密度的增加，更好的I/O性能，以及現(xiàn)在增加的復(fù)雜性，即你如何檢查BGA封裝是否工作。在這之前，封裝主要是通過視覺檢查和測試。現(xiàn)在我們無法看到封裝，所以沒有辦法進(jìn)行測試。我們可以X射線進(jìn)行檢查，以及更復(fù)雜的技術(shù)。

現(xiàn)代封裝（2000-2010年代）

我們現(xiàn)在走進(jìn)了現(xiàn)代封裝的時(shí)代。

上面描述的許多封裝方案今天仍在使用，但是，您將開始看到越來越多的封裝類型，并且這些封裝類型將來會變得更加相關(guān)。公平地說，許多這些即將到來的技術(shù)是在過去幾十年中發(fā)明的，但由于成本原因，直到后來才被廣泛使用。

倒裝芯片

這是你可能會讀到或聽到的最常見的封裝之一。我很高興能為你定義它，因?yàn)榈侥壳盀橹?，我讀過的入門書中還沒有一個令人滿意的解釋。倒裝芯片是IBM很早就發(fā)明的，通常會被縮寫為C4。就倒裝芯片而言，它確實(shí)不是一種獨(dú)立的封裝形式，而是一種封裝風(fēng)格。它幾乎就是只要在芯片上有一個焊接凸點(diǎn)就可以了。芯片不是用線粘合互連，而是翻轉(zhuǎn)過來面對另一個芯片，中間有一個連接基板，所以叫 "倒裝芯片"。

從維基百科上的解釋內(nèi)容可以更好的理解什么是倒裝芯片：

1. 在晶圓上創(chuàng)建集成電路

2. 芯片表面的焊盤被金屬化

3. 每個焊盤上都沉積一個焊點(diǎn)

4. 芯片被切割

5. 芯片被翻轉(zhuǎn)和定位，以便焊球面向電路

6. 然后將焊球重新熔化

7．安裝好的芯片用電絕緣膠進(jìn)行底部填充

引線鍵合請注意倒裝芯片與引線鍵合有何不同。上面介紹的DIP封裝這就是引線鍵合，其中芯片使用導(dǎo)線鍵合到另一種金屬上，然后焊接到PCB上。引線鍵合不是一種特定的技術(shù)，而是一套較舊的技術(shù)，涵蓋了許多不同類型的封裝。引線鍵合是倒裝芯片的前身。

先進(jìn)封裝（2010年代至今）

我們一直在緩慢地進(jìn)入"先進(jìn)封裝"半導(dǎo)體時(shí)代，我現(xiàn)在想談?wù)勔恍└呒壍母拍?。?shí)際上，有各種層次的"封裝"適合這個思維過程。我們之前講過的大多數(shù)封裝，都集中在芯片封裝到PCB上，但先進(jìn)封裝的開始其實(shí)是從手機(jī)開始的。

手機(jī)在很多方面都是先進(jìn)封裝諸多方面的巨大前奏。這是有道理的！對于手機(jī)需要在盡可能小的空間內(nèi)集成大量的芯片，比筆記本電腦或臺式電腦密度大得多。所有東西都必須被動冷卻，當(dāng)然也要盡可能薄。這將封裝推向了新的極限。我們討論的許多概念都是從智能手機(jī)封裝開始的，現(xiàn)在已經(jīng)將自己推向了半導(dǎo)體行業(yè)的其他部分。

芯片級封裝（CSP）

芯片級封裝實(shí)際上比聽起來要寬一些，最初意味著芯片大小的封裝。技術(shù)定義是封裝尺寸不超過芯片本身的1.2倍，并且必須是單芯片且可連接的。實(shí)際上，我已經(jīng)向您介紹了CSP的概念，那就是通過倒裝芯片。但CSP確實(shí)通過智能手機(jī)提升到了一個新的水平。

這張照片中的所有東西都是芯片芯片的1.2倍大小，并且專注于節(jié)省盡可能多的空間。CSP時(shí)代有很多不同的風(fēng)格，包括倒裝芯片、右基板和其他技術(shù)，都屬于這一類。

晶圓級封裝(WLP)

但還有一個更小的級別--這就是 "終極 "芯片規(guī)模的封裝尺寸，或在晶圓級封裝。這幾乎就是把封裝放在實(shí)際的硅片本身。封裝的就是硅片。它更薄，具有最高水平的I/O，而且顯然會非常熱，很難制造。先進(jìn)的封裝革命目前是在CSP的規(guī)模上，但未來將集中在晶圓上。

這是一個有趣的演變，封裝被實(shí)際的硅本身所包含。芯片是封裝，反之亦然。與僅僅將一些球焊接到芯片上相比，這真的很昂貴，那么我們?yōu)槭裁匆@樣做呢？為什么現(xiàn)在對先進(jìn)封裝如此癡迷？

先進(jìn)封裝：未來

這是我長期以來一直在描述的趨勢的一個頂峰。異構(gòu)計(jì)算不僅是專業(yè)化要做的事，而且是我們?nèi)绾螌⑺羞@些專業(yè)化的碎片放在一起的事。先進(jìn)的封裝是使這一切發(fā)揮作用的關(guān)鍵推動因素。

讓我們來看看蘋果M1 - 一種經(jīng)典的異構(gòu)計(jì)算配置，特別是其統(tǒng)一的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。對我來說，M1的誕生不是一個 "嘩眾取寵 "的時(shí)刻，而是異構(gòu)計(jì)算即將爆發(fā)的一個奇特時(shí)刻。

M1正在敲響未來的樣子，許多人很快就會效仿蘋果的做法。請注意，實(shí)際的SOC（片上系統(tǒng)）不是異構(gòu)的--但是將內(nèi)存靠近SOC的定制封裝是異構(gòu)的。

M1采用2.5D封裝將內(nèi)存直接封裝到處理旁邊，不需要PCB連線，

另一個非常好的高級封裝的好例子是Nvidia的新款A(yù)100。再次注意到PCB上沒有電線。

HBM2 不像傳統(tǒng)的 GDDR5 GPU 板設(shè)計(jì)那樣需要圍繞 GPU 的大量離散內(nèi)存芯片，而是包括一個或多個多個內(nèi)存芯片的垂直堆棧。存儲芯片使用微小的導(dǎo)線進(jìn)行連接，這些導(dǎo)線由硅通孔和微凸起形成。一個 8 Gb HBM2 芯片包含 5，000 多個硅通孔。然后使用無源硅中介層連接內(nèi)存堆棧和GPU芯片。HBM2 堆棧、GPU 芯片和硅中介層的組合封裝在單個 55mm x 55mm BGA 封裝中。有關(guān) GP100 和兩個 HBM2 堆棧的圖示，請參見圖 9;有關(guān)具有 GPU 和內(nèi)存的實(shí)際 P100 的顯微照片，請參見圖 10。

這里的結(jié)論是，世界上最好的芯片都是用一種方式制造出來的，而且這種革命不會停止。接下來介紹高級封裝的兩個主要類別，2.5D和3D封裝。

2.5D封裝

2.5D有點(diǎn)像我們上面提到的倒裝芯片的turbo版，但不是將單個裸片堆疊到PCB上，而是將裸片堆疊在單個中介層的頂部。我想這張圖很好地說明了這一點(diǎn)。

2.5D就像有一個地下室的門進(jìn)入你鄰居的房子，物理上是一個凸點(diǎn)或TSV（通過硅通孔）進(jìn)入你下面的硅插板，這就把你和你的鄰居連接起來。這并不比你實(shí)際的片上通信快，但由于你的凈輸出是由總的封裝性能決定的，降低的距離和增加的兩個硅片之間的互連超過了沒有在一個單一的SOC上的所有缺點(diǎn)。

這樣做的好處是你可以使用 設(shè)計(jì)好的“小芯片”來快速拼湊更大更復(fù)雜的封裝。如果能在一塊硅片上完成就更好了，但這種工藝使制造變得更容易，特別是在較小的尺寸上。

“小芯片”和2.5D封裝可能會使用很長時(shí)間，它比3D封裝更容易制造，也便宜得多。此外，它可以很好地?cái)U(kuò)展，并且可以與新的小芯片一起重復(fù)使用，從而通過更換小芯片來制造相同封裝格式的新芯片。AMD的新的Zen3改進(jìn)就是這樣的，其中封裝相似，但一些小芯片得到了升級。

3D封裝

3D封裝是一個“圣杯”圣杯，是封裝的終極終結(jié)?？梢赃@樣比喻，現(xiàn)在，與其在地面上擁有所有1層樓高并由地下室連接的獨(dú)立小房子，不如擁有一座巨大的摩天大樓，該摩天大樓是用適合功能所需的任何工藝定制的。這是3D封裝 - 現(xiàn)在所有的封裝都是在硅片本身上完成的。它是驅(qū)動更大、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的最快、最節(jié)能的方法，這些結(jié)構(gòu)是為任務(wù)而構(gòu)建的，并將顯著延長摩爾定律。未來我們可能無法獲得更多的芯片尺寸收縮，但現(xiàn)在有了3D封裝，我們?nèi)匀豢梢栽谖磥砀倪M(jìn)我們的芯片，類似于以前的摩爾定律。

而有趣的是，我們有一個整個半導(dǎo)體市場走向3D的明顯例子--內(nèi)存。存儲器向3D結(jié)構(gòu)的推進(jìn)是對未來發(fā)展的一個很好的說明。NAND不得不采用3D結(jié)構(gòu)的部分原因是它們在較小的幾何尺寸上難以擴(kuò)展。想象一下，內(nèi)存是一座大型的3D摩天大樓，每一層都由一個電梯連接起來。這些被稱為 "TSV "或通硅孔。

這就是未來的樣子，我們甚至有可能將GPU / CPU芯片堆疊在彼此上或在CPU上堆疊內(nèi)存。這是最后的邊疆，而現(xiàn)在我們正在迅速接近的邊疆。在接下來的5年里，你可能會開始看到3D封裝一遍又一遍地出現(xiàn)。

2.5D/3D 封裝解決方案快速概述

我認(rèn)為，與其進(jìn)一步了解3D和2.5D封裝，不如直接介紹一些正在使用的、你可能已經(jīng)聽說過的工藝。我想在這里重點(diǎn)談?wù)劸A廠所做的工藝，這些工藝是推動了3D/2.5D集成發(fā)展的。

臺積電的CoWoS

這似乎是 2.5D 集成工藝的主力，由 Xilinx 率先推出。

該過程主要集中在將所有邏輯芯片放入硅中介層上，然后放到封裝基板上。一切都通過微凸起或球連接。這是一個經(jīng)典的2.5D結(jié)構(gòu)。

臺積電SOIC

這個臺積電的3D封裝平臺, 是一個相對較新的技術(shù)。。

注意這個關(guān)于凸點(diǎn)密度和接合間距的驚人圖表，SoIC在尺寸上甚至沒有接近Flipchip或2.5D，而是在密度和特征尺寸方面幾乎是一個前端工藝。

這是對他們技術(shù)的一個很好的比較，但請注意，SoIC實(shí)際上有一個類似于3D堆疊的芯片堆疊，而不是中階層2.5D集成。

三星 XCube

近年來，三星已成為更重要的代工廠合作伙伴，當(dāng)然，為了不被超越，三星擁有了新的3D封裝方案。在下面查看他們的XCube的視頻。

這里沒有太多的信息，但我想強(qiáng)調(diào)的是，A100是在三星工藝上制造的，所以這可能是為Nvidia最近的芯片提供動力的技術(shù)。此外，在這里所有的公司中，三星可能有最豐富的tsv經(jīng)驗(yàn)。

英特爾 Foveros

最后是英特爾的Foveros 3D封裝。我們可能會看到英特爾在未來7nm及以后的"混合CPU"工藝中實(shí)現(xiàn)更多。他們在架構(gòu)日已經(jīng)非常明確地表示，這是他們前進(jìn)的重點(diǎn)。

有趣的是，在3D封裝過程中，三星，臺積電或英特爾之間并沒有太大的區(qū)別。

審核編輯 ：李倩