半导体封装技术的不同等级、作用和演变过程

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在邮寄易碎物品时,选择合适的包装材料至关重要,以确保包裹能安全无损地送达目的地。例如,泡沫塑料、气泡膜和坚固的盒子都能有效地保护物品。
 
同样,半导体制造过程中的封装环节也至关重要,它能够保护芯片免受物理或化学损害。但半导体封装的作用远不止于此。
 
半导体封装技术
 
本文将详细介绍封装技术的不同等级、功能和演变过程。半导体封装工艺分为四个等级:0级封装、1级封装、2级封装和3级封装。
 
每个等级都有特定的责任:0级封装负责将晶圆切割出来,1级封装是芯片级封装,2级封装负责将芯片安装到模块或电路卡上,而3级封装则涉及将附带芯片和模块的电路卡安装到系统板上。
 
封装通常采用细间距球栅阵列(FBGA)或薄型小尺寸封装(TSOP)的形式。这些封装中的锡球或引线作为引脚,使封装的芯片能够与外部组件实现电气和机械连接。半导体封装有四个主要作用:机械保护、电气连接、机械连接和散热。其中,通过将芯片和器件密封在环氧树脂模塑料(EMC)等封装材料中,半导体封装保护它们免受物理和化学损害。
 
此外,半导体封装实现了从芯片到系统之间的电气和机械连接。它通过芯片和系统之间的电气连接为芯片供电,同时提供信号的输入和输出通路。在机械连接方面,半导体封装确保芯片与系统的可靠连接,以确保使用时芯片和系统之间的连接良好。
 
同时,半导体封装需将芯片和器件产生的热量迅速散发出去。如果半导体封装无法有效散热,芯片可能会过热并导致内部晶体管失效。因此,对于半导体封装技术而言,有效散热至关重要。随着半导体产品的速度日益加快、功能日益增多,封装的冷却功能也变得越来越重要。
 
半导体封装技术的发展趋势
 
首先,由于散热问题变得越来越重要,人们已经开始研发具有更好热传导性能的材料和能够有效散热的封装结构。
 
此外,支持高速电信号传输的封装技术也成为了重要的发展趋势。由于封装会限制半导体产品的速度,因此,当一个速度达到每秒20千兆 (Gbps) 的半导体芯片或器件需要连接到一个仅支持每秒2千兆(Gbps) 的半导体封装装置时,系统感知到的半导体速度实际上只有每秒2千兆 (Gbps)。由于连接至系统的电气通路是在封装中创建的,因此无论芯片的速度有多快,半导体产品的速度都会受到封装的影响。这意味着,在提高芯片速度的同时,还需要提升半导体封装技术以提高传输速度。这种情况尤其适用于人工智能技术和5G无线通信技术。因此,应运而生了倒片封装和硅通孔(TSV)等封装技术,为高速电信号传输提供支持。
 
另一个重要的发展趋势是三维半导体堆叠技术。这种技术推动了半导体封装领域的革命性发展。在过去,一个封装外壳内只包含一个芯片,但现在,通过采用多芯片封装(MCP)和系统级封装(SiP)等技术,我们可以在一个封装外壳内堆叠多个芯片。
 
此外,半导体器件的小型化也是一个明显的发展趋势。随着半导体产品逐渐被用于移动和可穿戴设备,小型化成为了客户的一项重要需求。为了满足这种需求,已经出现了许多旨在减小封装尺寸的技术。
 
同时,半导体产品正被越来越多地应用于各种环境中。除了日常环境如健身房、办公室或住宅外,热带雨林、极地地区、深海甚至太空等极端环境中也有半导体的身影。由于封装的基本作用是保护半导体芯片和器件,因此需要开发高度可靠的封装技术以确保半导体产品能在这些极端环境下正常工作。
最后,由于半导体封装是最终产品的一部分,封装技术不仅要实现预期功能,还要具有较低的制造成本。
 
除了以上这些特定作用的发展趋势外,整个半导体行业的发展也是推动封装技术演变的重要力量。随着时间的推移,印刷电路板与晶圆的特征尺寸差异逐渐增大。这使得印刷电路板和晶圆之间的尺寸差距不断扩大。然而,半导体封装技术需要将晶圆上的芯片进行个性化定制并安装到印刷电路板上,因此就需要弥补印刷电路板和晶圆之间的尺寸差距。
 
在过去,两者在特征尺寸上的差异并不明显,所以我们可以使用如双列直插式封装(DIP)或锯齿型单列式封装(ZIP)等通孔技术将半导体封装引线插入印刷电路板插座内。然而,随着两者特征尺寸差异的不断扩大,我们需要使用表面贴装技术(SMT)如薄型小尺寸封装(TSOP)等将引线固定在主板表面。随后,球栅阵列(BGA)、倒片封装、扇出型晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)及硅通孔(TSV)等封装技术相继问世,以弥补晶圆和主板之间不断扩大的尺寸差异。

确保半导体封装的有效性
 
为了确保半导体封装的有效性,有两种方法可供选择。第一种是利用现有封装技术来为新开发的半导体芯片创建封装,并对其性能进行评估。第二种则是开发一种新的半导体封装技术,并将其应用于现有芯片上,以评估新封装技术的有效性。
 
通常,新芯片的开发与新封装技术的应用不会同时进行。这是因为,如果在封装完成之前芯片和封装均未经过测试,那么一旦出现问题,就很难确定问题的根源。为了避免这种情况,行业惯例是使用已知缺陷较少的现有量产芯片来测试新的封装技术,以验证封装的独立性。只有经过验证的封装技术才会被应用于新芯片的开发,进而投入生产。
 
在制造半导体产品时,芯片设计和封装设计开发会同时进行,以便对它们的特性进行整体优化。因此,封装部门会在芯片设计阶段就开始考虑芯片是否可以封装。在可行性研究期间,会进行初步的电气、热和结构评估,以避免在实际量产阶段出现问题。这里的半导体封装设计是指基板或引线框架的布线设计,因为这是将芯片安装到主板的媒介。
 
封装部门会根据封装的临时设计和分析结果,向芯片设计人员提供有关封装可行性的反馈。只有完成封装可行性研究,芯片设计才算完成。接下来是晶圆制造阶段。在晶圆制造过程中,封装部门会同步设计封装生产所需的基板或引线框架,并由后段制造公司继续完成生产。同时,封装工艺也会提前准备到位,以便在完成晶圆测试并将其交付到封装部门时,能够立即开始封装生产。
 
半导体产品必须经过封装以检测和验证其物理特性。同时,可通过可靠性测试等方法对设计和流程进行检验。如果特性和可靠性不理想,则需要找出原因并在解决问题之后,再次重复封装流程。只有当产品达到预期的特性和可靠性标准时,封装开发工作才算完成。

 

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