各代半導體封裝技術簡介

與非網 發佈 2020-02-26T15:24:16+00:00

2固定在lead frame 上將晶片放到 lead frame 上,並且用銀漿固化,其實就是將晶片和 lead frame 的底部粘住啦。

按照最終外形來看,現在有無數種封裝方式,這個實在是太多了,比如 QFP,QFN,SOT,DIP,BGA 等等,所以我們今天不以這種方式介紹。所以現在按照封裝的發展歷史來介紹,以封裝工藝的方式來分類。

第 1 代封裝:wire bond(俗稱,打線)

這種封裝方式是最早出現的,雖然是第一代技術,但是直到現在也有很多晶片使用這種方式來封裝,就是因為技術成熟,成本低。最後封裝成的模樣就是這樣子的。

先聊一下這種封裝流程

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切割

在封裝廠拿到 wafer 之後,先把 wafer 進行切割,得到一顆一顆的晶片,將那些 CP 測試(下一次我們再聊測試)通過的晶片單獨拿出來。這裡要說一個問題,一顆晶片從在沒有做任何處理之前,那些引腳是長這個樣子的,如下圖左下角的方形圖案(你先忽略那兩個圓形的東西,後面我就知道那兩個圓形是怎麼來的了),這些引腳也有一個名字,叫做 pad。

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固定在 lead frame 上

將晶片放到 lead frame 上,並且用銀漿固化,其實就是將晶片和 lead frame 的底部粘住啦。lead frame 可以理解為引線框架,他是一個陣列結構,如下圖

就是將晶片放到中間的凹槽,四周都是我們最終看到的引腳。在最終結束工藝之後,就把這些引腳「剪開」,然後掰彎,最終形成我們看到的樣子。所以第二步完成之後,從側面看的話是下圖這個樣子。

這裡要注意,就是晶片必須是正面朝向,當正面朝上的時候,pad 也是朝上的。lead frame 的引腳在兩側。

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打線

用金線(或者是銅線,鋁線)將晶片的 pad 和 lead frame 連接起來。線的種類會根據晶片的不同製程,或者是根據晶片 pad 的不同結構來決定使用金線或者是銅線。在打線時,先讓金線在低端形成一個金球。

然後將金球壓倒晶片的 pad 上,然後通過施壓壓力或者改變溫度來焊接到 pad 上,這就會在 pad 上形成一個圓點,上面第二張圖中的圓點就是這麼形成的。

然後將金線拉升,並且移動到 lead frame 上方。當然不要擔心金線會斷,因為金線不是固定長度。可以在上面自動生成金線。所以是這個樣子的。

然後再將末端的金線壓到 lead frame 上,再側向劃開,切斷金線,所以會在 lead frame 上會形成切斷金線後的魚尾形狀(我畫不出魚尾形狀啦)。最終是這個樣子。

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注塑

也叫塑封。就是將連接好的晶片和 lead frame 放到模具中。然後將塑封材料灌進去。加熱之後這些材料變成液體,再把晶片,金線和 lead frame 都包住。

5

包裝

注塑完成後,工作就比較簡單了,比如在晶片頂部打字,打 logo。除去 lead frame 上多餘的塑封材料。在 lead frame 上電鍍一層特殊材料,防止外部環境對於引腳的破壞(比如潮濕,高溫等等)。最後將 lead frame 剪開,得到我們想要的引腳方式。

上面這五部就是 wire bond 封裝方式最簡單的流程。這一套工藝在現代封裝技術中已經很成熟了,成本也低。但是裡面的很多細節還是比較關鍵的。比如這些製程裡面對溫度的控制,特別是在拉線過程中,金線的弧度,高度以及拉力,金球的大小等等。這些參數直接影響晶片的質量,甚至會使晶片無法使用。

第 1.5 代封裝:CSP(Chipe-Size Package)

在上面的 wire bond 中,有一個很大的問題,就是最終出來的晶片比實際的晶片要大很多,因為 lead frame 和晶片之間是有距離的。為了解決這個問題,人們發明了 CSP 封裝技術。它的思想很簡單,就是去掉 lead frame,用一塊基板代替。

基板的作用就是將導線從 pad 引過來之後,基板裡面有自己的一些電路,將這些導線引到下面的焊接點上(焊接點也是球型)。這樣就形成了外部電壓通過焊接點,基板(導線)與晶片的 pad 交流。

所以最終出現的晶片是這樣的。當然下面的晶片有可能不是用這種方式封裝,但是最終的樣子是一樣的。

第 2 代封裝:flip chip(倒裝封裝)

在聊完上面兩種方式之後。我們會發現一個問題,不能批量化操作,也就是必須在晶圓切割成每個晶片之後才能封裝,成本太高。為了解決這個問題,發明了 flip chip 這種方式。

只所以叫做倒裝,是因為在前面的封裝方式中,晶片是正面朝上放到基板上面的。而 flip chip 是正面朝下放置。

這種封裝方式有一個特殊的工藝流程,就是 bump。大家可以理解為長金球(錫球)。

要想長金球,首先要做的就是重新布局晶片 pad 的的位置,利用和晶片製造中相同的後段技術,將邊緣部位的 pad,安排到晶片中央來。這句話就是 bump 的核心目的。

大體思路就是將晶片的 pad 通過導線(紅色)借接出來,然後在想要的位置上重新做一個 pad,實際圖形長這樣子,中間的哪些深色部分就是導線。

大家可能會問,為什麼不在晶片的 pad 上直接長錫球呢?因為當晶片的引腳太多時,直接長金球的方式危險係數會大大提高,很容出現兩個引腳短接的情況。這樣重新分配 pad 布局的過程叫做 RDL(re-distribution layer)。準確的說它是指連接新 pad 和舊 pad 的這一層,但是大家在使用的時候,就不再區分,直接把這個過程叫做 RDL。

到這裡之後,後面一步就是 bump,也就是長金球(錫球)。長金球的過程就不再多說了,和晶片製造工藝中的曝光,刻蝕差不多。最終形成的是這個樣子。

直到長完球(bump)之後,整個 wafer 還沒有被切割,所以這些都是批量操作,成本特別低。這些操作完成後再進行晶圓級測試。也正是因為 bump 過程是在 wafer 上製作的,所以大家都把它叫做 WLCSP(wafer level CSP)。

測試完成之後再切割,把好的晶片拿出來。最後倒扣到基板上面。就這樣,外部電壓通過焊接點以及 bump 產生的球與晶片交流。

這種封裝方式,最省面積,封裝出來的晶片大小和原始大小相差不大。所以這種方式也是比較主流的封裝方式,一般用在高端產品上。 在這一套流程中,bump 的過程是最為關鍵的,包括球的大小,導電性等等。

第 3 代封裝技術:InFO,HBM,CoWos

通過上面兩代封裝技術的發展,晶片封裝技術已經可以滿足大部分的需求了,但市場往往是解決一個需求之後,又會產生最新的需求。通過 flip chip 技術,我們解決了晶片封裝的大小問題。但是這種技術隨著 pin 角增多也會出現很多麻煩,主要有下面兩個方面。

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面積縮小,但是 pin 角增多

因為晶片在儘量縮小,pin 角在增多,晶片的面積已經不能裝下這麼多焊接點了。因為 flip chip 的封裝方式是將所有的 pin 腳都集中在一顆晶片的下方,所以我們把這種方式另外取一個名字,叫做 FanIn 方式的封裝,又叫扇入型封裝方式。如下圖

所以當 pin 角在增加的時候,晶片下面的面積根本不夠擺放這麼多焊接點

2

時序要求高

高性能晶片需要多個晶片集成封裝。現在高性能的晶片對於時序(Timing)的要求特別高,所以兩顆晶片不能相距太遠,這樣的話會更利於兩顆晶片進行信息交流,提高數據處理速度,降低發熱。

在這兩個需求下,產生了 InFO(integrated Fan-out)的封裝方式。我們先看 Fan-Out 是什麼意思。上面我們了解了 FanIn,那 fanout 就是剛好反過來。它是把引腳的焊接點引到晶片的外部,如下圖。這樣的話,即使晶片的 pin 角增多,也不會帶來上面的困擾。

那 integrated 是什麼意思呢?就是多個晶片集成封裝。說白了,就是將多個晶片放在一起封裝。將這兩種技術合成在一起就是 InFO 封裝方式。

我自己畫了一個圖來向大家稍微介紹一下吧。

假設有兩個晶片,一個是邏輯晶片,一個是存儲晶片。現在需要把這兩個晶片封裝在一起,而且這兩個晶片的某些引腳是可以接在一起的。於是就運用了晶片製作裡面的金屬層布線的原理,在基板裡面布線,然後將需要的連接在基板就完成,最後在基板的底部連接處焊接球。這樣就可以達到,既可以將多個晶片封裝在一起,也可以應付 pin 腳多的情況。上面這種兩個晶片平行放置的方式較 Multi InFo 工藝。

如果像上面這種,兩個晶片是垂直放置,這種叫做 InFO-PoP 結構。

很多人會問,這種封裝方式不是面積增加了嗎,畢竟占用了晶片以外的地方。其實從得到的好處來說,還是值的的。況且,InFo 的封裝面積可能比各個分別封裝的面積總和要少。

現在這種封裝技術只是使用在高端晶片中,比如蘋果的 A12 等,普通晶片是享受不了這種待遇的,因為真的很貴。台積電封裝業務的很大一部分盈利都是靠 InFO 來的。

還有一種封裝方式是叫 CoWos(Chip-on-Wafer-on-Substrate),是一種將晶片和矽片(基底)集成在一起的封裝方式。這種封裝方式只有台積電能做,而且是高度商業機密,技術不外露,所以我也知之甚少,在這裡就不和大家介紹了。如果以後我了解到,再和大家更新。

當然第三代封裝技術還有 AMD 推出的 HBM 技術,美光的 HMC 技術,其實都是大同小異。這裡也不做介紹了。

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