你了解芯片封装技术吗？

jinsu

这次我们聊一下关于封装方式的介绍。现在中国半导体产业中，占比最大的就是封装和测试，而且我相信你不论是处在fabless还是foundry，都离不开这对兄弟。上一个周中已经和大家聊了测试，今天再聊封装。没看过测试内容的，请点击这里（你不知道的那些芯片测试和测试黑幕）。

按照最终外形来看，现在有无数种封装方式，这个实在是太多了，比如QFP,QFN,SOT,DIP,BGA等等，所以我们今天不以这种方式介绍。所以现在按照封装的发展历史来介绍，以封装工艺的方式来分类。

这种封装方式是最早出现的，虽然是第一代技术，但是直到现在也有很多芯片使用这种方式来封装，就是因为技术成熟，成本低。最后封装成的模样就是这样子的。

先聊一下这种封装流程

1，在封装厂拿到wafer之后，先把wafer进行切割，得到一颗一颗的芯片，将那些CP测试（下一次我们再聊测试）通过的芯片单独拿出来。这里要说一个问题，一颗芯片从在没有做任何处理之前，那些引脚是长这个样子的，如下图左下角的方形图案（你先忽略那两个圆形的东西，后面我就知道那两个圆形是怎么来的了），这些引脚也有一个名字，叫做pad。

2，将芯片放到lead frame上，并且用银浆固化，其实就是将芯片和lead frame的底部粘住啦。lead frame可以理解为引线框架，他是一个阵列结构，如下图

就是将芯片放到中间的凹槽，四周都是我们最终看到的引脚。在最终结束工艺之后，就把这些引脚“剪开”，然后掰弯，最终形成我们看到的样子。所以第二步完成之后，从侧面看的话是下图这个样子。

这里要注意，就是芯片必须是正面朝向，当正面朝上的时候，pad也是朝上的。lead frame的引脚在两侧。

3，打线。用金线（或者是铜线，铝线）将芯片的pad和lead frame连接起来。线的种类会根据芯片的不同制程，或者是根据芯片pad的不同结构来决定使用金线或者是铜线。在打线时，先让金线在低端形成一个金球。

然后将金球压倒芯片的pad上，然后通过施压压力或者改变温度来焊接到pad上，这就会在pad上形成一个圆点，图二中的圆点就是这么形成的。

然后将金线拉升，并且移动到lead frame上方。当然不要担心金线会断，因为金线不是固定长度。可以在上面自动生成金线。所以是这个样子的。

然后再将末端的金线压到lead frame上，再侧向划开，切断金线，所以在lead frame上会形成切断金线后的鱼尾形状（我画不出鱼尾形状啦）。最终是这个样子。

4，注塑，也叫塑封。就是将连接好的芯片和lead frame放到模具中。然后将塑封材料灌进去。加热之后这些材料变成液体，再把芯片，金线和lead frame都包住。

5，后续工作就比较简单了，比如在芯片顶部打字，打logo。除去lead frame上多余的塑封材料。在lead frame上电镀一层特殊材料，防止外部环境对于引脚的破坏（比如潮湿，高温等等）。最后将lead frame剪开，得到我们想要的引脚方式。

上面这五部就是wire bond封装方式最简单的流程。这一套工艺在现代封装技术中已经很成熟了，成本也低。但是里面的很多细节还是比较关键的。比如这些制程里面对温度的控制，特别是图7中，金线的弧度，高度以及拉力，金球的大小等等。这些参数直接影响芯片的质量，甚至会使芯片无法使用。

在上面的wire bond中，有一个很大的问题，就是最终出来的芯片比实际的芯片要大很多，因为lead frame和芯片之间是有距离的。为了解决这个问题，人们发明了CSP封装技术。它的思想很简单，就是去掉lead frame，用一块基板代替。

基板的作用就是将导线从pad引过来之后，基板里面有自己的一些电路，将这些导线引到下面的焊接点上（焊接点也是球型）。这样就形成了外部电压通过焊接点，基板（导线）与芯片的pad交流。

所以最终出现的芯片是这样的。当然下面的芯片有可能不是用这种方式封装，但是最终的样子是一样的。

在聊完上面两种方式之后。我们会发现一个问题，不能批量化操作，也就是必须在晶圆切割成每个芯片之后才能封装，成本太高。为了解决这个问题，发明了flip chip这种方式。

只所以叫做倒装，是因为在前面的封装方式中，芯片是正面朝上放到基板上面的。而flip chip是正面朝下放置。

这种封装方式有一个特殊的工艺流程，就是bump。大家可以理解为长金球（锡球）。

要想长金球，首先要做的就是重新布局芯片pad的的位置，利用和芯片制造中相同的后段技术（不懂得可以查看前面的文章这可能最简单的半导体工艺流程（一文看懂芯片制作流程）），将边缘部位的pad，安排到芯片中央来。这句话就是bump的核心目的。

大体思路就是将芯片的pad通过导线（红色）借接出来，然后在想要的位置上重新做一个pad，实际图形长这样子，中间的哪些深色部分就是导线。

大家可能会问，为什么不在芯片的pad上直接长锡球呢？因为当芯片的引脚太多时，直接长金球的方式危险系数会大大提高，很容出现两个引脚短接的情况。这样重新分配pad布局的过程叫做RDL（re-distribution layer）。准确的说它是指连接新pad和旧pad的这一层，但是大家在使用的时候，就不再区分，直接把这个过程叫做RDL。

到这里之后，后面一步就是bump，也就是长金球（锡球）。长金球的过程就不再多说了，和芯片制造工艺中的曝光，刻蚀差不多。最终形成的是这个样子。

直到长完球（bump）之后，整个wafer还没有被切割，所以这些都是批量操作，成本特别低。这些操作完成后再进行晶圆级测试。也正是因为bump过程是在wafer上制作的，所以大家都把它叫做WLCSP（wafer level CSP）。

测试完成之后再切割，把好的芯片拿出来。最后倒扣到基板上面。就这样，外部电压通过焊接点以及bump产生的球与芯片交流。

这种封装方式，最省面积，封装出来的芯片大小和原始大小相差不大。所以这种方式也是比较主流的封装方式，一般用在高端产品上。

在这一套流程中，bump的过程是最为关键的，包括球的大小，导电性等等。

通过上面两代封装技术的发展，芯片封装技术已经可以满足大部分的需求了，但市场往往是解决一个需求之后，又会产生最新的需求。通过flip chip技术，我们解决了芯片封装的大小问题。但是这种技术随着pin角增多也会出现很多麻烦，主要有下面两个方面。

1，因为芯片在尽量缩小，pin角在增多，芯片的面积已经不能装下这么多焊接点了。因为flip chip的封装方式是将所有的pin脚都集中在一颗芯片的下方，所以我们把这种方式另外取一个名字，叫做FanIn方式的封装，又叫扇入型封装方式。如下图

所以当pin角在增加的时候，芯片下面的面积根本不够摆放这么多焊接点。

2，高性能芯片需要多个芯片集成封装。现在高性能的芯片对于时序（Timing）的要求特别高，所以两颗芯片不能相距太远，这样的话会更利于两颗芯片进行信息交流，提高数据处理速度，降低发热。

在这两个需求下，产生了InFO（integrated Fan-out）的封装方式。我们先看Fan-Out是什么意思。上面我们了解了FanIn,那fanout就是刚好反过来。它是把引脚的焊接点引到芯片的外部，如下图。这样的话，即使芯片的pin角增多，也不会带来上面的困扰。

那integrated是什么意思呢？就是多个芯片集成封装。说白了，就是将多个芯片放在一起封装。将这两种技术合成在一起就是InFO封装方式。

我自己画了一个图来向大家稍微介绍一下吧。

假设有两个芯片，一个是逻辑芯片，一个是存储芯片。现在需要把这两个芯片封装在一起，而且这两个芯片的某些引脚是可以接在一起的。于是就运用了芯片制作里面的金属层布线的原理，在基板里面布线，然后将需要的连接在基板就完成，最后在基板的底部连接处焊接球。这样就可以达到，既可以将多个芯片封装在一起，也可以应付pin脚多的情况。上面这种两个芯片平行放置的方式较Multi InFo工艺。

如果像上面这种，两个芯片是垂直放置，这种叫做InFO-PoP结构。

很多人会问，这种封装方式不是面积增加了吗，毕竟占用了芯片以外的地方。其实从得到的好处来说，还是值的的。况且，InFo的封装面积可能比各个分别封装的面积总和要少。

现在这种封装技术只是使用在高端芯片中，比如苹果的A12等，普通芯片是享受不了这种待遇的，因为真的很贵。台积电封装业务的很大一部分盈利都是靠InFO来的。

还有一种封装方式是叫CoWos（Chip-on-Wafer-on-Substrate），是一种将芯片和硅片（基底）集成在一起的封装方式。这种封装方式只有台积电能做，而且是高度商业机密，技术不外露，所以我也知之甚少，在这里就不和大家介绍了。如果以后我了解到，再和大家更新。

当然第三代封装技术还有AMD推出的HBM技术，美光的HMC技术，其实都是大同小异。这里也不做介绍了。