封装通常和测试统称为封测,封测属于芯片制造的后道工艺,由封测厂完成例如日月光、长电科技等,前道工艺一般由晶圆代工厂完成,也有代工厂把后道的封测一起做了的,特别是先进封装,例如台积电这种,前道工艺再往前就是硅片厂造硅片。
芯片制造的主要环节(红框为封装环节):
02 封装的主要环节封装的意义是在芯片制造流程中,IC芯片相当小且薄,稍不注意则会被刮伤损坏,需要对其提供一定的保护;另一方面,因为芯片的尺寸微小,不易以人工安置在电路板上,此时若封装一个较大尺寸的外壳,则会大大降低技术难度。
所以封装简单来说就是将芯片放在一个安全的密封环境里,并实现芯片和外部连接,其基本流程包括:
03 封装形式大分类从封装发展历史看,大致可以分为五个阶段。按照顺序包括:
第一阶段:通孔插装封装,包括的封装形式有DIP、CDIP、PDIP。以上几种形式不用管,第一阶段通孔插装的特点就是有个又长又粗的引脚。
第二阶段:表面贴装型封装,包括的封装形式有QFP、PQFP、SOP、PQFN。以上几种形式也不用管,第二阶段表面贴装型的特点就是又长又粗的引脚变成了又长又细的引线。
------------------------------传统封装与先进封装分割线------------------------------
第三阶段:面积阵列封装,包括的封装形式有BGA、CSP、WLP。第三阶段的封装是传统封装和先进封装的分割点,其特点是引线被取消,加入了焊球技术,我们用最直观的图像来分别解释BGA、CSP、WLP等封装形式的区别,当然仅BGA封装就又分很多类,我们以最常见的形式来展现其特点。
PBGA封装:
CSP封装,即芯片级封装,它的特点是最后封装出来的芯片和最开始的裸片大小差不多,同时相比BGA封装,其引脚数量更多、散热更好,采用CSP封装的芯片存储效率比BGA提升15%~20%。
CSP封装:
WLP封装,即晶圆级封装,其特点是,相较于芯片级封装先将晶圆切割成一个一个的裸芯片后再封装不同,晶圆级封装是一开始就在晶圆上对还没有切的裸片进行封装,封装完了,再切割成一个一个的芯片,这样封装好的芯片大小就是裸片的大小。
除了体积小的特点外,封装好的芯片的内部结构和CSP封装最大的不同是,没有引线了,同时增加了重布线层(RDL),重布线层一面连芯片,一面连焊球,这样就把引线取消了,具体结构如下:
扇入型WLP封装:
既然有扇入型那肯定有扇出型,扇出型与扇入型最大的区别是在重布线层(RDL)
扇出型的RDL是往外引的,这样焊球都在芯片四周,其主要优点有两个,一是芯片的厚度下降,二是芯片封装时是在裸晶圆上拉出重布线层,因此不需要载板,成本下降。
扇出型封装还可以继续分两类,包括扇出型晶圆级封装和扇出型面板级封装,两者封装流程差不多,但扇出型面板级封装会在更大重组载板上进行,这就比用晶圆当载板的单次封装芯片个数大幅提升,从而降低成本。
第四、第五阶段:2.5D、3D、SIP(系统级封装)、Chiplet
2.5D封装:
2.5D封装示意图
3D封装:
3D封装示意图
进入2.5D和3D封装时代,封装技术开始堆积木,其核心逻辑是将多块芯片封装在一起,这样就解决了芯片与芯片之间通信效率的问题。这里面用到的核心技术是TSV(硅通孔)在芯片上打孔,这几乎就是晶圆制造级别的工艺了。
SoC芯片、SIP封装与Chiplet
传统芯片的设计与制造通常采用单片式SoC方案,将多个负责不同类型任务的单元通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。但传统SoC在算力时代下面临着许多挑战:随着芯片尺寸的增加与工艺节点的逐渐减小,良率不断降低从而引起硬件成本飙升;传统SoC方案采用统一的工艺制程,导致SoC芯片上各部分需要同步进行迭代。
在上述背景下,Chiplet技术应运而生,成为芯片行业的新兴发展方案。在Chiplet设计理念下,是将原本SoC中的每个功能模块都单独拆出来,做成具有单独功能的一个个小芯片单元。之后,通过先进封装技术,像搭积木一样,把这些小芯片再集成为一个系统级芯片。
SiP(system in package)指系统级封装。通过将多种功能的芯片,包括处理器、存储器、FPGA等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个完整的系统。
在概念上来讲,SiP与Chiplet很像。并且SiP同样能够实现异构异质集成的。而它们两者的区别在于,SiP是将不同芯片封装在一个基板上,Chiplet则是封装到芯片上。
SoC芯片、SIP封装与Chiplet的对比: