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科普 | 关于封装，你不可不知的事（一）

四方杰芯 2021-10-20 0

知识发布

第一讲

半导体封装基础

半导体制造工艺流程

半导体制造的工艺过程由晶圆制造（Wafer Fabr ication）、晶圆测试（wafer Probe/Sorting)、芯片封装（Assemble）、测试（Test）以及后期的成品（Finish Goods）入库所组成。

半导体器件制作工艺分为前道和后道工序，晶圆制造和测试被称为前道（Front End）工序，而芯片的封装、测试及成品入库则被称为后道（Back End）工序，前道和后道一般在不同的工厂分开处理。

前道工序是从整块硅圆片入手经多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。后道工序是从由硅圆片分切好的一个一个的芯片入手，进行装片、固定、键合联接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性，并便于与外电路联接。

半导体制造工艺和流程

晶圆制造

晶圆制造主要是在晶圆上制作电路与镶嵌电子元件（如电晶体、电容、逻辑闸等），是所需技术最复杂且资金投入最多的过程。以微处理器为例，其所需处理步骤可达数百道，而且所需加工机器先进且昂贵。虽然详细的处理程序是随着产品种类和使用技术的变化而不断变化，但其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗之后，接着进行氧化及沉积处理，最后进行微影、蚀刻及离子植入等反复步骤，最终完成晶圆上电路的加工与制作。

晶圆测试

晶圆经过划片工艺后，表面上会形成一道一道小格，每个小格就是一个晶片或晶粒（Die），即一个独立的集成电路。在一般情况下，一个晶圆上制作的晶片具有相同的规格，但是也有可能在同一个晶圆上制作规格等级不同的晶片。晶圆测试要完成两个工作：一是对每一个晶片进行验收测试，通过针测仪器（Probe）检测每个晶片是否合格，不合格的晶片会被标上记号，以便在切割晶圆的时候将不合格晶片筛选出来；二是对每个晶片进行电气特性（如功率等）检测和分组，并作相应的区分标记。

芯片封装

首先，将切割好的晶片用胶水贴装到框架衬垫（Substrate）上；其次，利用超细的金属导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘连接到框架衬垫的引脚，使晶片与外部电路相连，构成特定规格的集成电路芯片（Bin）；最后对独立的芯片用塑料外壳加以封装保护，以保护芯片元件免受外力损坏。塑封之后，还要进行一系列操作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋（Trim）、成型（Form）和电镀（Plating）等工艺。

成品入库

测试好的芯片经过半成品仓库后进入最后的终加工，包括激光印字、出厂质检、成品封装等，最后入库。

第二讲

微电子封装和封装工程

封装的定义和内涵

封装（packaging，PKG）：主要是在半导体制造的后道工程中完成的。即利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺。

封装工程：是封装与实装工程及基板技术的总和。即将半导体、电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学技术，统称为电子封装工程。

封装一词用于电子工程的历史并不长。在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为组装或装配，当时还没有封装这一概念。自从三极管、IC等半导体元件的出现，改变了电子工程的历史。一方面，这些半导体元件细小柔嫩；另一方面，其性能又高，而且多功能、多规格。为了充分发挥其功能，需要补强、密封、扩大，以便与外电路实现可靠地电气联接，并得到有效地机械支撑、绝缘、信号传输等方面的保护作用。“封装”的概念正是在此基础上出现的。

封装的功能

封装最基本的功能是保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。所以，在最初的微电子封装中，是用金属罐（Metal Can）作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。

一般来说顾客所需要的并不是芯片，而是由芯片和PKG构成的半导体器件。PKG是半导体器件的外缘，是芯片与实装基板间的界面。因此无论PKG的形式如何，封装最主要的功能应是芯片电气特性的保持功能。

通常认为，半导体封装主要有电气特性的保持、芯片保护、应力缓和及尺寸调整配合四大功能，它的作用是实现和保持从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。目前，集成电路芯片的I/0线越来越多，它们的电源供应和信号传送都是要通过封装来实现与系统的连接。芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日趋严重，由于芯片钝化层质量的提高，封装用以保护电路功能的作用其重要性正在下降。

微电子封装的三个层次

它是将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大型电子设备或电子系统。

通常，从FAB厂制造的晶圆开始，可以将电子封装，按照制造的时间先后顺序分为三个层次。

一级封装一级封装是用封装外壳将芯片封装成单芯片组件（SCM）和多芯片组件（MCM）。半导体芯片和封装体的电学互联，通常有三种实现途径，引线键合（WB）、载带自动焊（TAB）和倒装焊（Flip Chip），一级封装的可以使用金属、陶瓷，塑料（聚合物）等包封材料。封装工艺设计需要考虑到单芯片或者多芯片之间的布线，与PCB节距的匹配，封装体的散热情况等。

二级封装二级封装是印刷电路板的封装和装配，将一级封装的元器件组装到印刷电路板（PCB）上，包括板上封装单元和器件的互连，包括阻抗的控制、连线的精细程度和低介电常数材料的应用。除了特别要求外，这一级封装一般不单独加封装体，具体产品如计算机的显卡，PCI数据采集卡等都属于这一级封装。如果这一级封装能实现某些完整的功能，需要将其安装在同一的壳体中，例如Ni公司的USB数据采集卡，创新的外置USB声卡等。

三级封装三级封装是将二级封装的组件查到同一块母板上，也就是关于插件接口、主板及组件的互连。这一级封装可以实现密度更高，功能更全组装，通常是一种立体组装技术。例如一台PC的主机，一个NI公司的PXI数据采集系统，汽车的GPS导航仪，这些都属于三级微电子封装的产品。

微电子封装工程和电子基板

微电子封装是一个复杂的系统工程，类型多、范围广，涉及各种各样材料和工艺。可按几何维数将电子封装分解为简单的“点、线、面、体、块、板”等。

电子基板是半导体芯片封装的载体，搭载电子元器件的支撑，构成电子电路的基盘，按其结构可分为普通基板、印制电路板、模块基板等几大类。其中PCB在原有双面板、多层板的基础上，近年来又出现积层（build-up）多层板。模块基板是指新兴发展起来的可以搭载在PCB之上，以BGA、CSP、TAB、MCM为代表的封装基板（Package Substrate，简称PKG基板）。小到芯片、电子元器件，大到电路系统、电子设备整机，都离不开电子基板。近年来在电子基板中，高密度多层基板所占比例越来越大。

微电子封装所涉及的各个方面几乎都是在基板上进行或与基板相关。在电子封装工程所涉及的四大基础技术，即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、封接与封装技术中，基板技术处于关键与核心地位。随着新型高密度封装形式的出现，电子封装的许多功能，如电气连接，物理保护，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化、标准化等，正逐渐部分或全部的由封装基板来承担。

微电子封装的范围涉及从半导体芯片到整机，在这些系统中，生产电子设备包括6个层次，也即装配的6个阶段。我们从电子封装工程的角度，按习惯一般称层次1为零级封装；层次2为一级封装；层次3为二级封装；层次4、5、6为三级封装。

电子封装工程的六个阶段

层次1（裸芯片）它是特指半导体集成电路元件（IC芯片）的封装，芯片由半导体厂商生产，分为两类，一类是系列标准芯片，另一类是针对系统用户特殊要求的专用芯片，即未加封装的裸芯片（电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成）。

层次2（封装后的芯片即集成块）分为单芯片封装和多芯片封装两大类。前者是对单个裸芯片进行封装，后者是将多个裸芯片装载在多层基板（陶瓷或有机）上进行气密性封装构成MCM。

层次3（板或卡）它是指构成板或卡的装配工序。将多个完成层次2的单芯片封装和MCM，实装在PCB板等多层基板上，基板周边设有插接端子，用于与母板及其它板或卡的电气连接。

层次4（单元组件）将多个完成层次3的板或卡，通过其上的插接端子搭载在称为母板的大型PCB板上，构成单元组件。

层次5（框架件）它是将多个单元构成（框）架，单元与单元之间用布线或电缆相连接。

层次6（总装、整机或系统）

它是将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大型电子设备或电子系统。

封装基板和封装分级

从硅圆片制作开始，微电子封装可分为0、1、2、3四个等级，涉及上述六个层次，封装基板（PKG基板或Substrate）技术现涉及1、2、3三个等级和2～5的四个层次。

封装基板主要研究前3个级别的半导体封装（1、2、3级封装），0级封装暂与封装基板无关，因此封装基板一般是指用于1级2级封装的基板材料，母板（或载板）、刚挠结合板等用于三级封装。

零级封装

裸芯片电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成，暂与基板无关。

一级封装一级封装经0级封装的单芯片或多芯片在封装基板（普通基板、多层基板、HDI基板）上的封装，构成集成电路模块（或元件）。即芯片在各类基板（或中介板）上的装载方式。

二级封装二级封装集成电路（IC元件或IC块）片在封装基板（普通基板、多层基板、HDI基板）上的封装，构成板或卡。即各种实装方式（二级封装或一级加二级封装）。后续谈到的的DIP、PGA属于DIP封型，GFP、BGA、CSP等属于SMT实装型，这些都属于二级封装。

三级封装

三级封装包含4、5、6三个层次。即将多个完成层次3的板或卡，通过其上的插接端子搭载在称为母板（或载板）的大型PCB板上，构成单元组件（此层次也是实装方式之一）；或是将多个单元构成架，单元与单元之间用布线（刚挠PCB）或电缆相连接；或是将多个架并排，架与架之间由布线（刚挠PCB）或电缆相连接，由此构成大型电子设备或系统（此两个层次称为装联）。

第四讲

传统半导体封装

封装的主要生产流程

IC的封装工艺流程可分为晶元切割、晶元粘贴、金线键合、塑封、激光打印、切筋打弯、检验检测等步骤。

晶圆切割首先将晶片用薄膜固定在支架环上，这是为了确保晶片在切割时被固定住，然后把晶元根据已有的单元格式被切割成一个一个很微小的颗粒，切割时需要用去离子水冷却切割所产生的温度，而本身是防静电的。

晶圆粘贴晶圆粘贴的目的将切割好的晶元颗粒用银膏粘贴在引线框架的晶元庙上，用粘合剂将已切下来的芯片贴装到引线框架的中间燥盘上。通常是环氧（或聚酰亚胺）用作为填充物以增加粘合剂的导热性。

金线键合金线键合的目的是将晶元上的键合压点用及细的金线连接到引线框架上的内引脚上，使得晶圆的电路连接到引脚。通常使用的金线的一端烧成小球，再将小球键合在第一焊点。然后按照设置好的程序拉金线，将金线键合在第二焊点上。

塑封将完成引线键合的芯片与引线框架置于模腔中，再注入塑封化合物环氧树脂用于包裹住晶元和引线框架上的金线。这是为了保护晶元元件和金线。塑封的过程分为加热注塑，成型二个阶段。塑封的目的主要是：保护元件不受损坏；防止气体氧化内部芯片；保证产品使用安全和稳定。

激光打印激光打印是用激光射线的方式在塑封胶表面打印标识和数码。包括制造商的信息，器件代码，封装日期，可以作为识别和可追溯性。

切筋打弯将原来连接在一起的引线框架外管脚切断分离，并将其弯曲成设计的形状，但不能破坏环氧树脂密封状态，并避免引脚扭曲变形，将切割好的产品装入料管或托盘便于转运。

检验

检验检查产品的外观是否能符合设计和标准。常见的的测试项目包括：打印字符是否清晰、正确，引脚平整性、共面行，引脚间的脚距，塑封体是否损伤、电性能及其它功能测试等。

半导体封装技术

芯片封装的实质：传统意义的芯片封装一般指安放集成电路芯片所用的封装壳体，它同时可包含将晶圆切片与不同类型的芯片管脚架及封装材料形成不同外形的封装体的过程。从物理层面看，它的基本作用为：为集成电路芯片提供稳定的安放环境，保护芯片不受外部恶劣条件（例如灰尘，水气）的影响。从电性层面看，芯片封装同时也是芯片与外界电路进行信息交互的链路，它需要在芯片与外界电路间建立低噪声、低延迟的信号回路。

然而不论封装技术如何发展，归根到底，芯片封装技术都是采用某种连接方式把晶圆切片上的管脚与引线框架以及封装壳或者封装基板上的管脚相连构成芯片。而封装的本质就是规避外界负面因素对芯片内部电路的影响，同时将芯片与外部电路连接，当然也同样为了使芯片易于使用和运输。

芯片封装技术越来越先进，管角间距越来越小，管脚密度却越来越高，芯片封装对温度变化的耐受性越来越好，可靠性越来越高。另外一个重要的指标就是看芯片与封装面积的比例。

此外，封装技术中的一个主要问题是芯片占用面积，即芯片占用的印刷电路板（PCB）的面积。从早期的DIP封装，当前主流的CSP封装，芯片与封装的面积比可达1:1.14，已经十分接近1:1的理想值。而更先进MCM到SIP封装，从平面堆叠到垂直堆叠，芯片与封装的面积相同的情况下进一步提高性能。

封装知识小问答

封装位于半导体制造流程中的哪一步？

封装的主要作用是什么？

封装基板一般用于几级封装？

封装工艺流程分哪几步？

现在，你对封装的基本流程，是不是有了初步的了解啦？下一讲，我们将带你了解典型的封装工艺！

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