半导体封装基础知识

半导体封装是电子制造的一个重要方面，涉及将半导体芯片封装在保护性和功能性封装中，以确保其可靠性、性能并集成到电子设备中。这些封装充当微小、敏感的半导体芯片和更广泛的电子系统之间的桥梁，提供电气连接、热管理和环境保护。半导体封装技术已经发生了显着的发展，以满足更小、更快、更高效的电子设备的需求，从传统的引线封装到先进的倒装芯片、系统级封装 (SiP) 和 3D 封装。这些封装创新在为从智能手机和物联网设备到数据中心和汽车电子等广泛的现代应用提供动力方面发挥着至关重要的作用。

半导体封装的历史 

在半导体行业的形成时期，半导体器件采用金属罐和陶瓷封装进行封装。这些封装的目的是为精密的半导体芯片提供基本保护，并允许与外部电路进行电气连接。然而，它们相对较大、笨重并且功能有限。随着半导体技术的快速发展，对更小、更高效的封装解决方案的需求不断增长，以适应半导体芯片尺寸的缩小。这导致了双列直插封装 (DIP) 和表面贴装封装等创新封装技术的发展。双列直插式封装无法支持高引脚数，因此需要能够容纳大量 IO 的高密度互连 (HDI) 解决方案。这催生了倒装芯片封装，也称为受控塌陷芯片连接（C4）。为了实现高集成度，设计人员在 20 世纪 70 年代左右提出了 MCM（多芯片模块）。

图1，半导体封装历史

半导体封装材料 

半导体封装材料在保护和互连器件方面发挥着至关重要的作用，同时确保其可靠性和性能。

基材：基材可以是有机的或陶瓷的。有机基材具有出色的电绝缘性能，是具有成本效益的包装解决方案。陶瓷基板通常用于需要良好导热性的高频应用。

封装材料：封装材料可保护芯片免受环境因素、潮湿和机械应力的影响。环氧模塑料 (EMC) 具有良好的附着力和良好的电绝缘性能。然而，液晶聚合物（LCP）由于其低介电常数和低损耗角正切更适合高频应用。

互连材料：金线接合通常用于在半导体芯片和封装之间进行电气连接。无铅焊料（锡银铜合金）材料用于将半导体芯片固定到基板上。

底部填充材料：底部填充材料用于填充半导体芯片和基板之间的间隙，以增强机械稳定性和可靠性。底部填充材料还可以更好地散热并降低过热风险，从而提高导热性。典型的材料选择是环氧树脂（更好的粘合力）、聚酰亚胺（更好的热稳定性）或有机硅（更好的机械稳定性）。 

图2，倒装芯片底部填充封装工艺

半导体封装类型 

四方扁平封装 (QFP)

四方扁平封装是一种经典的半导体封装，其特点是其扁平、正方形或矩形形状，引线从所有四个侧面延伸。QFP 有多种尺寸，引脚排列成网格图案。它们通常用于需要中等引脚数的集成电路 (IC)。QFP 在组装和返工过程中易于处理。QFN 封装顶部和底部 

球栅阵列 (BGA)

球栅阵列封装在封装的底面采用焊球阵列而不是引线。这些焊球与 PCB 上相应的焊盘接触，增强热性能并降低电气干扰的风险。BGA 因其紧凑的尺寸、出色的散热能力和抗机械应力而广泛应用于现代电子产品中。

芯片级封装 (CSP)

芯片级封装的设计尺寸几乎与它们所封装的半导体芯片相同，从而最大限度地减少了空间浪费。CSP 非常适合尺寸和重量限制严格的应用，例如移动设备和可穿戴设备。他们经常使用非常细间距的焊球或铜柱进行连接。

晶圆级封装 (WLP)

晶圆级封装是一种在将多个半导体器件切割成单个芯片之前在晶圆级进行封装的技术。这种方法可以降低制造成本并提高器件性能。WLP 允许创建超紧凑和高密度封装，使其适用于 MEMS 设备和传感器等应用。在此阅读有关晶圆级封装的更多信息。

3D IC 和堆叠封装

3D IC 封装涉及在单个封装内将多个半导体芯片堆叠在一起，并使用硅通孔 (TSV) 互连。这种封装技术可实现更高水平的集成、减少信号延迟并增强性能。堆叠封装用于高性能计算、显卡和内存模块等高级应用，以提高处理能力和内存容量，同时节省空间。

封装设计的关键考虑因素和主要挑战  

半导体封装设计是一个复杂且不断发展的领域，在当今快速发展的技术环境中面临着各种挑战。以下是最大的挑战： 

小型化和集成化：根据摩尔定律，电子设备变得越来越小，功能越来越强大。对于封装设计来说，要跟上小型化和集成化的步伐，同时保持封装的性能和可靠性，就变得具有挑战性。由于封装上的组件和互连空间较小，处理信号完整性、功率传输和热管理等问题提出了独特的挑战，需要创新的解决方案。

热管理：对高性能同时减少总面积的持续需求转化为 IC 的高功率密度。过热会缩短 IC 的使用寿命并影响性能。封装旨在更好地散热，而先进的散热解决方案（例如散热器、散热器和先进的热界面材料）对于有效散热至关重要。此外，3D 封装和集成冷却解决方案不断涌现，通过提供更好的散热途径来应对这些挑战。

先进材料和兼容性：半导体行业寻求使用具有改进的电气、机械和热性能的材料来设计封装。该封装需要与其他材料（例如硅、有机基板和焊料）连接，这些材料可能具有不同的热膨胀系数（CTE）。这些差异可能会导致温度循环过程中产生热应力，从而可能导致封装故障。使用铜钨（CuW）、铝硅碳化物（AlSiC）、Kovar等低CTE材料可以减少热失配的影响并提高封装可靠性。

信号完整性和电气性能：随着数据速率和处理速度的提高，对半导体封装中保持信号完整性和电气性能的要求变得越来越高。高频信号容易受到干扰、串扰和阻抗失配的影响。设计人员需要考虑传输线效应、电磁干扰 (EMI) 和电源完整性等因素，以确保信号到达目的地时不会失真或丢失。

封装成本：封装占半导体器件总成本的很大一部分。为了使零件具有竞争力并且让消费者负担得起，设计公司努力在保持性能的同时降低封装成本。

环境问题：电子废物对环境和人类健康产生有害影响。人们一直在推动在半导体封装中使用环保材料和可回收材料。

• 含铅焊料曾经普遍用于半导体封装，但由于环境问题，无铅焊料已成为标准。

• 铜通常用于各种互连，并且可以回收利用。

• 许多半导体封装使用塑料或聚合物材料进行封装、模塑料和封装结构。这些材料有时可以回收利用。

• 玻璃基板通常用于微机电系统（MEMS），回收玻璃可以减少半导体封装对环境的影响。 
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异构集成：将内存、传感器、射频 (RF) 组件等不同技术集成到单个封装中称为异构集成。这提供了许多优点，包括提高数据传输速率、降低功耗、增强设备性能以及占用更小的空间。由于与不同技术之间的材料兼容性以及管理在不同功率级别下运行的不同组件引起的热热点相关的问题，异构集成提出了独特的挑战。

半导体封装的创新  

半导体封装面临的挑战为创新蓬勃发展提供了机会。以下是当今使用的一些先进封装技术：  

系统级封装（SiP）：SiP是一种先进的半导体封装技术，集成了多种异构半导体元件，例如逻辑元件（微控制器或应用处理器芯片、存储器等）、无源元件（电阻器、电容器和电感器）、存储器元件和互连（微凸块、焊线或 TSV）位于单个封装内。

SiP 具有许多优点：

• 紧凑型设备：将组件集成到单个封装中可形成紧凑型设备，这对于智能手机和可穿戴设备等便携式设备尤其重要。
• 增强的性能：SiP 最大限度地缩短了互连长度，从而减少了信号延迟，这对于高速和高频应用至关重要。
  更高的电源效率：除了减少信号互连的长度之外，SiP 内的配电网络也得到了更好的优化。这对于电池供电的设备至关重要。
  降低制造成本：SiP 减少了电路板上需要组装的单个组件的数量，从而降低了总体制造成本。

  

图 3：系统级封装 (SiP) 

扇出晶圆级封装 (FOWLP)：传统的封装方法涉及封装单个芯片并将其安装在印刷电路板上。FOWLP 涉及重新分配芯片并将其面朝上放置在大型晶圆尺寸的基板上。这种重新分布允许创建紧凑、高度集成的封装，其中可以包括多个芯片、无源元件和单个结构内的互连，其中电气连接位于芯片的有源侧，连接到基板。它具有小型化、改进的热性能、成本效益和增强的电气性能等优势，使其成为智能手机、物联网设备、汽车电子和射频模块等广泛应用的热门选择。  

硅通孔 (TSV) 和 3D IC 封装：硅通孔 (TSV) 是 3D 集成电路中使用的一项关键技术，可在单个封装内实现多个半导体芯片或层的垂直集成。TSV 是穿透硅基板的垂直互连，在组件芯片的不同层之间提供电气连接。TSV 是圆柱形或垂直孔，穿过 3D IC 堆栈中每个芯片或层的硅基板。它们内衬绝缘材料以防止短路，并填充铜或钨等导电材料以提供电气通路。垂直集成通过允许多个芯片垂直堆叠在一起，帮助重振了晶体管缩放。这有助于减少互连长度，提高集成密度，同时提高功率效率。

图 4：3D 集成电路的硅通孔 (TSV)   

嵌入式多芯片互连桥（EMIB）：EMIB是Intel开发的一种先进的半导体封装技术。EMIB 技术旨在解决在单个封装内集成异构半导体芯片的挑战。它使用跨越基板的嵌入式桥，从而为集成芯片之间的数据传输提供高速、低延迟的路径。它还使用微柱等细间距互连来建立集成芯片之间的电气连接。这可以通过减少信号延迟来实现高效的数据传输，并由于较短的互连长度而提高电气性能。

图 5：Intel 的 EMIB 技术   

总之，半导体封装是连接复杂的半导体芯片世界和为我们现代生活提供动力的多样化电子设备的重要桥梁。从早期的金属罐到 3D 集成的前沿发展，半导体封装改变了我们的世界，使设备能够连接我们、娱乐我们并推动我们的行业发展。