深入解读先进封装工艺技术

什么是先进封装？

英文是Advanced Package，或者叫高密度先进封装（HDAP）。

按是否焊线，可将封装工艺分为传统封装与先进封装。

传统封装的基本连接系统主要采用引线键合工艺，即通过引出金属线实现芯片与外部电子元器件的电气连接。由于密度较高可能导致引线之间电气性能的相互干扰甚至短路，传统封装的 I/O 密度受限。

随着下游应用需求引领下的集成电路复杂度不断提升，先进封装应运而生。先进封装指主要以凸点（Bumping）方式实现电气连接的多种封装方式，旨在实现更多 I/O、更加集成两大功能。

传统封装与先进封装间并不存在绝对的优劣之分与替代关系，下游应用端对高算力、集成化的需求提升致使先进封装技术成为未来发展趋势。

什么样的封装形式是属于先进封装？业内普遍认为分四类：

• 倒装焊，flip-chip

• 晶圆级封装，Wafer-level Package(WLP)

• 2.5D封装

• 3D封装

倒装焊工艺，是指在芯片的 I/O 焊盘上直接沉积，或通过 RDL 布线后沉积凸块（Bump），然后将芯片翻转进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，芯片电气面朝下。

下图为引线键合与倒装封装的比较：

晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP），是指将芯片尺寸封装（CSP）和晶圆级封装（WLP）融合为一体的新型封装技术。

按技术类型分，晶圆级芯片尺寸封装可分为扇入型晶圆级封装（FIWLP）和扇出型晶圆级封装(FOWLP)。

传统的晶圆级封装多采用扇入型结构（FI），主要应用于 I/O 引脚数量较少的集成电路芯片。由于具有较小的封装尺寸， FIWLP 封装可广泛应用于电源管理芯片、串行闪存、射频收发器、微处理器、无线充电芯片等领域，应用口径广阔。

随着消费终端对电子产品性能要求的不断提高，以及光刻机和芯片制造技术的持续推进，28nm 及以下的工艺制程逐渐成为主流，扇入型封装已经不能完成在其芯片面积内的多层再布线和凸点阵列排布，扇出型晶圆级封装（FOWLP）应运而生。

扇出型封装突破了 I/O 引出端数目的限制，在原尺寸内部无法全部排布所需 I/O 口数量时，通过特殊的填充材料，人为扩大芯片的封装尺寸，并在整个封装范围上走线和排布 I/O。

先进封装的特点：

• 无焊线工序（采用BUMP取代）

• 集成度高，体积小

• 内部互联短，性能进一步提升

• 单位体积内集成更多功能单元，有效提高系统功能密度

先进封装的四要素：

• BUMP（凸点）

• RDL（重新布线）

• Wafer（晶圆层）

• TSV（硅通孔技术）

一、BUMP

是一种金属凸点，从倒装焊出现就开始普遍应用，最常见的形状是球状和柱状，也有块状等。

Bump起着界面之间的电气互联和应力缓冲的作用，从bonding wire工艺发展到Flip chip工艺的过程中，Bump起到了至关重要的作用。

Bump的技术发展趋势

尺寸越来越小，最后在混合键合Hybrid bonding中，就没有了Bump的键合结构。芯片和芯片直接键合。

混合键合，没有凸点，直接在室温下附着，然后高温就连在一起。它的特点就是因为中间没有底部填胶，所以散热性能更好，电气性能也更好，可扩展间距小于1微米，密度非常大，混合键合技术将是Bump技术未来发展的方向。

二、RDL（ReDistribution Layer)RDL

类似我们PCB上的布线，叫重新分布层，芯片做键合线的时候，键合线引脚都在外面一圈，但要做倒装焊的时候，就要把这个引脚做作 一下重新分布的位置，这时候就需要布一些线，然后这些层被称为重布线层，就是从边上那些引脚引到中间，这就是RDL，即在晶圆表面沉积金属层和相应的介质层，并形成金属布线，对IO端口进行重新布局，将其布局到新的，占位更为宽松的区域，并形成面阵列排布，如下图

在先进封装的FIWLP（Fan-In Wafer Level Package)，FOWLP（Fan-out Wafer Level Package）中，RDL是最为关键的技术，通过RDL将IO Pad进行扇入Fan-In或者扇出Fan-Out，形成不同类型的晶圆级封装。（扇出型和扇入型的区别，就是往芯片中心走的那个叫扇入，往外部的话没有空间了就会做一个Molding把这个Bump扇出到外面去）

在2.5D IC集成中，除了硅基板上的TSV，RDL同样不可或缺，通过RDL将网络互联分布到不同的位置，从而将硅基板上方芯片的Bump和基板下方的Bump连接。在3D IC集成中，对于上下堆叠是同一种芯片，通常TSV就可以直接完成电气互联功能了，而堆叠上下如果是不同类型芯片，则需要通过RDL重布线层将上下层芯片的IO进行对准，从而完成电气互联。

三、Wafer

在半导体传统封装，我们的理解是把晶圆切割成粒，把每个芯片切开，然后给包裹起来、封起来。和传统半导体封装相比，晶圆级封装存在显著差异，它不像传统的封装那样先切割再封装，而是先在晶圆上封装完成以后再切割，这就是晶圆级封装，因为整个工艺都是在晶圆上做的。

晶圆有三种作用，一种是作为芯片制造的基底，第二种是可以作为2.5D封装中所用到的硅中介板，还有一种作用就是作为晶圆级封装的载体。

四、TSV（Through Silicon Via)硅通孔

TSV，主要的功能是实现Z轴的电气延伸和互连，为什么先进封装这么火，就是因为它能在Z轴上进行延伸，最主要的媒介就是TSV，把芯片打穿了，上下间电气连接起来，由TSV把硅基板上下连接起来，电气就会互连得非常短。TSV按照集成类型的不同分为2.5D TSV和3D TSV，2.5D TSV是指的位于硅转接板Interposer上的TSV，3D TSV是指贯穿芯片体之中，连接上下层芯片的TSV。

四要素所内在的先进性：

从Bump到RDL到Wafer到TSV，越往右，代表的先进性就越高。

【本文转自公众号微电子封装交流，转载仅供学习交流。】