传统封装和先进封装的区别

来源：半导体封装工程师之家

半导体器件有许多封装形式，按封装的外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装三类。从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP，技术指标一代比一代先进。总体说来，半导体封装经历了三次重大革新：第一次是在20世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装，它极大地提高了印刷威廉希尔官方网站 板上的组装密度；第二次是在20世纪90年代球型矩阵封装的出现，满足了市场对高引脚的需求，改善了半导体器件的性能；芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物，其目的就是将封装面积减到最小。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。

传统封装vs先进封装

传统封装概念从最初的三极管直插时期后开始产生。传统封装过程如下：将晶圆切割为晶粒（Die）后，使晶粒贴合到相应的基板架的小岛（LeadframePad）上，再利用导线将晶片的接合焊盘与基板的引脚相连（WireBond），实现电气连接，最后用外壳加以保护（Mold，或Encapsulation）。典型封装方式有DIP、SOP、TSOP、QFP等。

先进封装主要是指倒装（FlipChip），凸块（Bumping），晶圆级封装（Waferlevelpackage），2.5D封装（interposer，RDL等），3D封装（TSV）等封装技术。先进封装在诞生之初只有WLP，2.5D封装和3D封装几种选择，近年来，先进封装的发展呈爆炸式向各个方向发展，而每个开发相关技术的公司都将自己的技术独立命名注册商标，如台积电的InFO、CoWoS，日月光的FoCoS，Amkor的SLIM、SWIFT等。尽管很多先进封装技术只有微小的区别，大量的新名词和商标被注册，导致行业中出现大量的不同种类的先进封装，而其诞生通常是由客制化产品的驱动。

先进封装优势

先进封装提高加工效率，提高设计效率，减少设计成本。

先进封装主要包括倒装类（FlipChip,Bumping），晶圆级封装（WLCSP，FOWLP，PLP），2.5D封装（Interposer）和3D封装（TSV）等。以晶圆级封装为例，产品生产以圆片形式批量生产，可以利用现有的晶圆制备设备，封装设计可以与芯片设计一次进行。这将缩短设计和生产周期，降低成本。

先进封装提高封装效率，降低产品成本。

随着后摩尔定律时代的到来，传统封装已经不再能满足需求。传统封装的封装效率（裸芯面积/基板面积）较低，存在很大改良的空间。芯片制程受限的情况下，改进封装便是另一条出路。举例来说，QFP封装效率最高为30%，那么70%的面积将被浪费。DIP、BGA浪费的面积会更多。

先进封装以更高效率、更低成本、更好性能为驱动。

先进封装技术于上世纪90年代出现，通过以点带线的方式实现电气互联，实现更高密度的集成，大大减小了对面积的浪费。SiP技术及PoP技术奠定了先进封装时代的开局，2D集成技术，如WaferLevelPackaging（WLP，晶圆级封装），Flip-Chip（倒晶），以及3D封装技术，ThroughSiliconVia（硅通孔，TSV）等技术的出现进一步缩小芯片间的连接距离，提高元器件的反应速度，未来将继续推进着先进封装发展的脚步。

先进封装技术

Flip-Chip & Bumping

FlipChip指的是芯片倒装，以往的封装技术都是将芯片的有源区面朝上，背对基板和贴后键合。而FlipChip则将芯片有源区面对着基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点（Bumping）实现芯片与衬底的互联。硅片直接以倒扣方式安装到PCB从硅片向四周引出I/O，互联长度大大缩短，减小了RC（Resistance-Capacitance）延迟，有效的提高了电性能。

FlipChip的优势主要在于以下几点：小尺寸，功能增强（增加I/O数量），性能增强（互联短），提高了可靠性（倒装芯片可减少2/3的互联引脚数），提高了散热能力（芯片背面可以有效进行冷却）。

倒装芯片晶体贴装技术

Bumping是一种新型的芯片与基板间电气互联的方式。

可以通过小的球形导电材料实现，这种导电球体被称为Bump，制作导电球这一工序被称为Bumping。当粘有Bump的晶粒被倒臵(Flip-Chip)并与基板对齐时，晶粒便很容易的实现了与基板Pad(触垫)的连接。相比传统的引线连接，Flip-Chip有着诸多的优势，比如更小的封装尺寸与更快的器件速度。

焊球端子和柱式端子

FlipChip的关键一步是Bumping，可以通过在晶圆上制作外延材料来实现。

当芯片制作工序完成后，制造UBM（Underbumpmetallization）触垫将被用于实现芯片和威廉希尔官方网站 的连接，Bump也会被淀积与触点之上。焊锡球（Solderball）是最常见的Bumping材料，但是根据不同的需求，金、银、铜、钴也是不错的选择。对于高密度的互联及细间距的应用，铜柱是一种新型的材料。焊锡球在连接的时候会扩散变形，而铜柱会很好的保持其原始形态，这也是铜柱能用于更密集封装的原因。

FlipChip产品对应不同bumping类型增长速度不一。

根据Yole预测，采用倒装芯片技术的集成威廉希尔官方网站 出货量将保持稳定增长，预计产能将以9.8%的复合年增长率扩张，从2014年的约合1600万片12寸晶圆增长到2020年的2800万片。终端应用主要为计算类芯片，如台式机和笔记本电脑的CPU、GPU和芯片组应用等。

其中镀金晶圆凸点（Au-platedwaferbumping）将稳定增长，由于IC显示驱动器（4K2K超高清电视和高清晰度、大屏幕平板电脑和智能手机）的市场驱动。预计产能将以4%的复合年增长率扩大，从2014年的430万片增长到2020年的540万片。

金钉头凸点（Austudbumping）产能将略有下滑，从2014年的30.4万片降到2020年的29.3万片，主要原因是射频器件从倒装芯片转移至晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）。但是，新兴应用的需求将增加，如CMOS图像传感器模组、高亮度LED等。

中道封装技术需求增长，将带来行业上下游的跨界竞争。针对3DIC和2.5D中介层平台的“中端工艺（middleend-process）”基础设施的出现将使Fab和IDM受益，并在较小程度上分给OSAT。2.5D中介层平台的发展将会产生价值的转移，从衬底供应商转向前端代工厂。

2.5D封装：RDL&中介层

RDL(Redistributionlayer，再分布层)：在晶圆水平上，触点再分布可以很高效的进行。再分布层用于使连线路径重新规划，落到我们希望的区域，也可以获得更高的触点密度。再分布的过程，实际上是在原本的晶圆上又加了一层或几层。首先淀积的是一层电介质用于隔离，接着我们会使原本的触点裸露，再淀积新的金属层来实现重新布局布线。UBM在这里会被用到，作用是支撑焊锡球或者其他材料的接触球。

中介层(Interposer)：指的是焊锡球和晶粒之间导电层。它的作用是扩大连接面，使一个连接改线到我们想要的地方。与再分布层作用类似。

中间层（Interposer）示意

3D封装：TSV，PoP和MEMS

TSV（Through-siliconvia，硅通孔）：Bump和RDL会占用芯片接合到基板上的平面面积，TSV可以将芯片堆叠起来使三维空间被利用起来。更重要的是，堆叠技术改善了多芯片连接时的电学性质。引线键合可以被用于堆叠技术，但TSV吸引力更大。TSV实现了贯穿整个芯片厚度的电气连接，更开辟了芯片上下表面之间的最短通路。芯片之间连接的长度变短也意味着更低的功耗和更大的带宽。TSV技术最早在CMOS图像传感器中被应用，未来在FPGA、存储器、传感器等领域都将被应用。根据Yole预测，2016~2021年，应用TSV技术的晶圆数量将以10%的年复合增长率增长。3D存储芯片封装也会在将来大量的用到TSV。

3DIC和TSV技术演进路径

TSV技术示意图

PoP(PackageonPackage，堆叠封装）：PoP是一种将分离的逻辑和存储BGA(Ballgridarray，球状引脚栅格阵列）包在垂直方向上结合起来的封装技术。在这种结构中，两层以上的封装单元自下而上堆叠在一起，中间留有介质层来传输信号。PoP技术增大了器件的集成密度，底层的封装单元直接与PCB板接触。传统的PoP是基于基板的堆叠，随着存储器对高带宽的需求，球间间隔要求更小，未来将会与FOWLP技术相结合，做基于芯片的堆叠。

MEMS封装：微机电系统在近些年应用越来越广泛，随着传感器、物联网应用的大规模落地，MEMS封装也备受关注。MEMS的封装不同与集成威廉希尔官方网站 封装，分为芯片级、模组级、卡级、板级、门级等多元垂直分级封装，设计时也需考虑不同模组间的相互影响。目前MEMS封装市场规模在27亿美元左右，20162020年间将会维持16.7%的年复合增长率高速增长。其中RFMEMS封装市场是主要驱动，20162020年间，年复合增长率高达35.1%。

MEMS封装技术示意图

在整个MEMS生态系统中，MEMS封装发展迅速，晶圆级和3D集成越来越重要。主要的趋势是为低温晶圆键合等单芯片集成开发出与CMOS兼容的MEMS制造工艺。另一个新趋势是裸片叠层应用于低成本无铅半导体封装，这种技术可为量产带来更低的成本和更小的引脚封装。但是，MEMS器件的CMOS和3D集成给建模、测试和可靠性带来挑战。

FIWLP&FOWLP，PLP

首先要提及Wafer-levelpackaging(WLP，晶圆级封装)的概念。在传统封装概念中，晶圆是先被切割成小的晶粒，之后再进行连接和塑封。而晶圆级封装工序恰好相反，晶圆级封装将晶粒在被切割前封装完成，保护层将会被附着在晶圆的正面或是背面，威廉希尔官方网站 连接在切割前已经完成。

FIWLP：Fan-inWafer-levelpackaging，又称WLCSP（Wafer-levelChipScalePackage），扇入式晶圆级封装，也就是传统的晶圆级封装，切割晶粒在最后进行，适用于低引脚数的集成威廉希尔官方网站 。随着集成威廉希尔官方网站 信号输出的引脚数目的增加，焊锡球的尺寸也就变得越来越严格，PCB对集成威廉希尔官方网站 封装后尺寸以及信号输出接脚位臵的调整需求得不到满足，因此衍生出了扇出型晶圆级封装。扇入晶圆级封装的特征是封装尺寸与晶粒同大小。

FOWLP:Fan-outWafer-levelpackaging，扇出式晶圆级封装，开始就将晶粒切割，再重布在一块新的人工模塑晶圆上。它的优势在于减小了封装的厚度，增大了扇出（更多的I/O接口），获得了更优异的电学性质及更好的耐热表现。

FIWLP与FOWLP用途不同，均为今后的主流封装手段。FIWLP在模拟和混合信号芯片中用途最广，其次是无线互联，CMOS图像传感器也采用FIWLP技术封装。FOWLP将主要用于移动设备的处理器芯片中。根据Yole的预测，2018年以前FOWLP的主要驱动为苹果智能手机的处理器芯片，2018年以后的FOWLP的主要驱动除了其他安卓手机处理器的增长，主要是高密度FOWLP在其他处理芯片的应用，如AI、机器学习、物联网等领域。

FIWLP与FOWLP技术示意图

PLP：全称Panel-levelpackaging，平板级封装，封装方法与FOWLP类似，只不过将晶粒重组于更大的矩形面板上，而不是圆形的晶圆。更大的面积意味着节约更多的成本，更高的封装效率。而且切割的晶粒为方形，晶圆封装会导致边角面积的浪费，矩形面板恰恰解决了浪费问题。但也对光刻及对准提出了更高的要求。

审核编辑：汤梓红