淺談先進封裝

一、引言

隨著半導體技術的不斷發(fā)展，先進封裝作為后摩爾時代全球集成電路的重要發(fā)展趨勢，正日益受到廣泛關注。受益于AI、服務器、數據中心、汽車電子等下游強勁需求，半導體封裝朝著多功能、小型化、便攜式的方向發(fā)展，先進封裝市場有望加速滲透。據Yole的數據，全球先進封裝市場規(guī)模預計將從2023年的378億美元增長至2029年的695億美元，復合年增長率達到10.7%。

二、封裝技術迭代

（一）.從傳統(tǒng)封裝到先進封裝的跨越

隨著集成電路工藝制程越發(fā)先進，對技術端和成本端均提出巨大挑戰(zhàn)，封裝行業(yè)實現了從傳統(tǒng)封裝到先進封裝的轉變。傳統(tǒng)封裝主要功能為芯片提供機械保護、散熱途徑以及確保機械和電氣連接穩(wěn)定性等。先進封裝則采用先進設計思路和集成工藝，對芯片進行封裝級重構，能有效提升系統(tǒng)高功能密度。它可在不單純依靠芯片制程工藝突破的情況下，通過晶圓級封裝和系統(tǒng)級封裝，提高產品集成度和功能多樣化，滿足終端應用對芯片輕薄、低功耗、高性能的需求，同時大幅降低芯片成本，在高端邏輯芯片、存儲器、射頻芯片、圖像處理芯片、觸控芯片等領域廣泛應用。

（二）.先進封裝發(fā)展趨勢與技術迭代

隨著芯片在算速與算力上需求同步提升，高速信號傳輸、優(yōu)化散熱性能、實現更小型化封裝、降低成本、提高可靠性以及實現芯片堆疊等成為封裝領域新追求。從制造工藝端來看，為持續(xù)提升集成度，先進封裝從最初的倒裝封裝(FC)，逐步向晶圓級封裝(WLP)、2.5D/3D封裝等迭代。

資料來源:《先進封裝推動半導體產業(yè)新發(fā)展》，《先進封裝技術的發(fā)展與機遇》，華安證券研究

三、先進封裝技術

傳統(tǒng)封裝首先將晶圓切割成芯片，然后對芯片進行封裝；而晶圓級封裝則是先在晶圓上進行部分或全部封裝，之后再將其切割成單件。

晶圓級封裝方法能夠進一步細分為以下四種不同類型：其一，晶圓級芯片封裝（WLCSP），能夠直接在晶圓的頂部形成導線和錫球（Solder Balls），且無需基板。其二，重新分配層（RDL），運用晶圓級工藝對芯片上的焊盤位置進行重新排列，焊盤與外部通過電氣連接的方式相連接。其三，倒片（Flip Chip）封裝，在晶圓上形成焊接凸點，以此來完成封裝工藝。其四，硅通孔（TSV）封裝，借助硅通孔技術，在堆疊芯片的內部實現內部連接。

（一）.晶圓級封裝（WLP）

晶圓級封裝（Wafer Level Packaging, WLP）是一種前沿的半導體封裝技術。與傳統(tǒng)封裝方法不同，WLP在晶圓制造階段即對芯片進行封裝，而非切割成單個單元后進行。這一創(chuàng)新方式使得晶圓上的芯片能夠先進行測試和封裝，隨后再切割成獨立個體，從而大幅度提升了生產效率和封裝密度。

晶圓級封裝（資料來源:屹立芯創(chuàng)）

WLP技術帶來了諸多優(yōu)勢。首先，在尺寸和重量方面，由于封裝過程在晶圓級別進行，無需為封裝體預留額外空間，因此可以顯著減小封裝尺寸和減輕重量。其次，成本效率也是WLP的一大亮點，整個晶圓能夠同時進行封裝，這種批量處理方式有效降低了生產成本。此外，WLP還能實現更高的I/O密度和更優(yōu)的電氣性能，因為I/O引腳可以直接分布在芯片周圍。同時，由于封裝材料直接與芯片接觸，有助于熱量的傳導，從而提升了散熱性能。最后，由于減少了焊接接頭的數量，WLP還顯著提高了產品的可靠性。

然而，WLP技術也存在一些劣勢。首先，設計復雜性增加，因為WLP要求在晶圓級別進行設計和制造，這可能會提高設計的復雜性和成本。其次，一旦芯片被封裝，如果發(fā)現缺陷，修復或更換單個芯片將變得異常困難。最后，WLP需要高精度的制造工藝，對設備和技術的要求較高，這可能限制了部分小規(guī)模制造商的采用。

先進的晶圓級封裝分類

晶圓級芯片封裝(WLCSP)可分為兩大類型:扇入型WLCSP(Fan-In WaferLevel Chip ScalePackage, Fan-In WLCSP)和扇出型 WLCSP(Fan-Out Wafer Level Chip ScalePackage, Fan-Out WLCSP)。

1.扇入型 (Fan-In) WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package)

晶圓級芯片封裝大多制造過程在晶圓上完成，是晶圓級封裝典型代表。廣義上，晶圓級封裝還包括在晶圓上完成部分工藝的封裝，如采用重新分配層、倒片技術和硅通孔技術的封裝。扇入型和扇出型 WLCSP 中的 “扇” 指芯片尺寸。扇入型 WLCSP 的封裝布線、絕緣層和錫球在晶圓頂部。扇入型 WLCSP 與傳統(tǒng)封裝相比有優(yōu)缺點。

扇出型封裝（FO）技術

優(yōu)點：封裝尺寸與芯片尺寸相同，可縮至最小；錫球直接固定在芯片上，無需基板等媒介，電氣傳輸路徑短，電氣特性好；無需基板和導線等封裝材料，工藝成本低，在裸片數量多、生產效率高時可進一步節(jié)約成本。

缺點：采用硅芯片作封裝外殼，物理和化學防護性能弱，與 PCB 基板熱膨脹系數差異大，導致錫球承受應力大，焊點可靠性弱；存儲器半導體推出同一容量芯片尺寸變化時，無法用現有基礎設施進行封裝測試；封裝錫球陳列尺寸大于芯片尺寸或晶圓上芯片數量少、生產良率低時，封裝成本高于傳統(tǒng)封裝。

2.扇出型 (Fan-Out) WLCSP

扇出型WLCSP繼承了扇入型的優(yōu)點并改進了其缺陷。

扇入型封裝和扇出型封裝(資料來源：SK海力士)

扇入型WLCSP的錫球均位于芯片表面，而扇出型則可延伸至芯片外。扇入型需在封裝后才切割晶圓，故芯片與封裝尺寸需一致，錫球也必須在芯片范圍內。扇出型則先切割再封裝，芯片排列在載體上重塑為晶圓，其間填充環(huán)氧樹脂模塑料。之后取出晶圓進行級處理并切割成單元。

扇出型不僅保持扇入型的電氣特性，還解決了其問題，如無法使用現有封裝測試設施、錫球陣列過大無法封裝及封裝不良導致的成本增加等。因此，扇出型WLCSP近年來應用日益廣泛。

（二）.重新分配層 (ReDistribution Layer, RDL)

RDL技術是對晶圓上已有鍵合焊盤進行重新布線的工藝，通過增加金屬層來改變焊盤布局。這是一種晶圓級工藝，專為焊盤重排設計，處理后仍需傳統(tǒng)封裝。

客戶若想獨特排列晶圓焊盤，采用RDL技術比更改晶圓制造更高效。此外，RDL也適用于中心焊盤芯片的堆疊。

采用RDL技術的芯片與剖面圖

（三）.倒片封裝 (Flip Chip)

倒片封裝技術通過將芯片上的凸點翻轉并安裝于基板等封裝體上，實現芯片與板的電氣連接。此技術已很大程度上取代傳統(tǒng)引線鍵合，原因有二：

• 引線鍵合對輸入/輸出（I/O）引腳數量和位置有限制，而倒片封裝無此限制。
• 倒片封裝的電信號傳輸路徑更短。

  
  

在引線鍵合中，金屬焊盤一維排列于芯片表面，無法位于邊緣或中心。而倒片封裝中，焊盤可二維排列于芯片一側，數量大幅增加。此外，凸點焊盤可布置于芯片頂部任意位置，供電焊盤也可靠近需供電區(qū)域，提升電氣性能。

引線鍵合與倒片鍵合的信號傳輸路徑對比

（四）.堆疊封裝 (Stacked Packages)

堆疊封裝技術能減小產品體積，提升性能，是產品開發(fā)的重要方法。過去，一個封裝體內通常只封裝一個芯片，但現在可開發(fā)多芯片封裝或大容量存儲器封裝，甚至整合多個系統(tǒng)組件于單個封裝體內。這些技術助力半導體公司打造高附加值產品，滿足市場需求。

堆疊封裝技術主要分為三類：

• 封裝堆疊：通過垂直堆疊封裝體形成。
• 芯片疊層封裝（引線鍵合）：使用引線鍵合技術將不同芯片堆疊在單個封裝體內。
• 芯片疊層封裝（TSV）：使用硅通孔技術替代引線鍵合實現內部電氣互連。

  
  

2.5D/3D封裝與堆疊封裝緊密相連，均為半導體封裝的關鍵技術，旨在提升芯片集成度、性能和體積效率。

堆疊封裝通過垂直堆疊多個封裝體或芯片來減小體積、提升性能，可采用不同技術實現。2.5D封裝利用中介層和TSV等技術連接多個芯片，降低成本、提高產量。3D封裝則在芯片內部制作TSV，實現更高集成度，但技術難度和成本較高。

三者均追求高集成度、性能和體積效率，堆疊封裝包含2.5D和3D封裝。它們在不同領域有廣泛應用，如高性能計算、網絡通信等，且隨著技術進步，將更廣泛地應用于電子產品，推動半導體產業(yè)發(fā)展。

資料來演：芯觀點

（五）.系統(tǒng)級封裝（SiP）

系統(tǒng)級封裝（System in Package, SiP）是一種先進的封裝技術，它通過將多個功能各異的集成電路（ICs），比如處理器、存儲器、傳感器等，集成在一個單一的封裝內，來構建一個完整的系統(tǒng)解決方案。這種集成不僅限于硬件組件，還可以包括軟件部分以及無源元件，如電阻器和電容器，從而實現高度的系統(tǒng)整合。

SiP技術的優(yōu)勢在于其高集成度，能夠將多個芯片和元件集成在單一封裝內，顯著減少最終產品所需的空間。此外，由于元件之間的距離縮短，SiP能夠提升電子設備的性能，減少信號傳輸的延遲。SiP還提供了設計靈活性，允許設計師在系統(tǒng)級別上進行創(chuàng)新，更容易實現定制化設計。從成本角度來看，SiP通過集成多個元件減少了組裝成本和材料使用，從而降低了整體成本。同時，由于減少了外部連接和接口，SiP提高了系統(tǒng)的可靠性和耐用性。

芯粒概念圖

然而，SiP技術也面臨一些挑戰(zhàn)。其設計和開發(fā)過程比傳統(tǒng)封裝更為復雜，需要跨學科的專業(yè)知識。此外，SiP封裝的維修難度較高，一旦封裝出現故障，可能需要更換整個模塊，增加了維修成本。隨著集成度的提高，散熱成為SiP設計中的一個重要考慮因素。盡管長期來看SiP可以降低成本，但初期的制造成本可能較高，特別是對于產量不大的產品。這些挑戰(zhàn)需要通過創(chuàng)新的設計和制造技術來克服，以實現SiP技術的全面優(yōu)勢。

四、先進封裝市場格局

全球先進封裝參與者眾多，其解決方案涵蓋（超）高密度扇出（有機中介層）、3D片芯堆疊、2.5D硅中介層、2.5D嵌入式硅橋、3D堆疊存儲器等幾大類。龍頭代工廠及其解決方案包括臺積電（InFO，集成扇出）、日月光（FOCoS，芯片后裝的基板上扇出芯片）、三星（2.5D RDL（再分布層））、Amkor Technology（S - SWIFT，高密度扇出線）等。

典型工藝布局如下：

2.5D：CoWoS（臺積電）、EMIB（英特爾）、I - Cube（三星）、XDFOI（長電科技）等；

3D：SoIC（臺積電）、Foveros（英特爾）、X - Cube（三星）、3D - eSinC(華天科技）等。

所有高端性能封裝平臺(Yole對2.5D和3D的分類)

五、未來發(fā)展趨勢

在當前AI等新興領域帶動下，移動和消費類、電信和基礎設施以及汽車等終端市場需求強勁增長，先進封裝市場快速增長，產業(yè)鏈各細分環(huán)節(jié)都有望迎來國產替代廣闊機遇。未來，先進封裝可能會朝著更高集成度、更小尺寸、更高性能以及智能化等方向發(fā)展。例如，可能會出現將更多種類芯片集成在一個封裝體內的技術，進一步縮小封裝尺寸，采用更先進材料和工藝提高性能，以及實現封裝體的智能化監(jiān)測和控制等。

六、結語

先進封裝作為半導體產業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)，在滿足終端應用需求、推動半導體行業(yè)發(fā)展方面具有重要作用。隨著市場需求的增長和技術的不斷進步，全球先進封裝市場規(guī)模將持續(xù)擴大，國內企業(yè)在市場格局中也有一定的發(fā)展機會，同時關鍵設備的國產化替代也在逐步推進。未來，先進封裝技術將不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為半導體產業(yè)帶來更多的可能性。來源半導體封裝工程師

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