之前給大家介紹了晶圓制備和芯片制造：晶圓是如何制造出來的？從入門到放棄，芯片的詳細制造流程！從今天開始，我們聊聊芯片的封裝和測試（通常簡稱“封測”）。

這一部分，在行業里也被稱為后道（Back End）工序，一般都是由OSAT封測廠（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導體封裝與測試）負責。

封裝的目的

先說封裝。封裝這個詞，其實我們經常會聽到。它主要是指把晶圓上的裸芯片（晶粒）變成最終成品芯片的過程。

之所以要做封裝，主要目的有兩個。一個是對脆弱的晶粒進行保護，防止物理磕碰損傷，也防止空氣中的雜質腐蝕晶粒的電路。二是讓芯片更適應使用場景的要求。芯片有很多的應用場景。不同的場景，對芯片的外型有不同的要求。進行合適的封裝，能夠讓芯片更好地工作。

我們平時會看到很多種外型的芯片，其實就是不同的封裝類型

封裝的發展階段

封裝工藝伴隨芯片的出現而出現，迄今為止已有70多年的歷史。總的來看，封裝工藝一共經歷了五個發展階段：

接下來，我們一個個來說。

• 傳統封裝

最早期的晶體管，采用的是TO（晶體管封裝）。后來，發展出了DIP（雙列直插封裝）。

我們最熟悉的三極管造型，就是TO封裝

再后來，由PHILIP公司開發出了SOP（小外型封裝），并逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。

DIP內部構造

第一、第二階段（1960-1990年）的封裝，以通孔插裝類封裝（THP）以及表面貼裝類封裝（SMP）為主，屬于傳統封裝。傳統封裝，主要依靠引線將晶粒與外界建立電氣連接。

這些傳統封裝，直到現在仍比較常見。尤其是一些老的經典型號芯片，對性能和體積要求不高，仍會采用這種低成本的封裝方式。

第三階段（1990-2000年），IT技術革命加速普及，芯片功能越來越復雜，需要更多的針腳。電子產品小型化，又要求芯片的體積繼續縮小。這時，BGA（球型矩陣、球柵陣列）封裝開始出現，并成為主流。BGA仍屬于傳統封裝。它的接腳位于芯片下方，數量龐大，非常適合需要大量接點的芯片。而且，相比DIP，BGA的體積更為緊湊，非常適合需要小型化設備。

BGA封裝

BGA封裝內部和BGA有些類似的，還有LGA（平面網格陣列封裝）和PGA（插針網格陣列封裝）。大家應該注意到了，我們最熟悉的CPU，就是這三種封裝。

• 先進封裝

20世紀末，芯片級封裝（CSP）、晶圓級封裝（WLP）、倒裝封裝（Flip Chip）開始慢慢崛起。傳統封裝開始向先進封裝演變。相比于BGA這樣的封裝，芯片級封裝（CSP）強調的是尺寸的更小型化（封裝面積不超過芯片面積的1.2倍）。

封裝的層級（來自Skhynix）

晶圓級封裝是芯片級封裝的一種，封裝的尺寸接近裸芯片大小。下期我們講具體工藝的時候，會提到封裝包括了一個切割工藝。傳統封裝，是先切割晶圓，再封裝。而晶圓級封裝，是先封裝，再切割晶圓，流程不一樣。

晶圓級封裝

倒裝封裝（Flip Chip）的發明時間很早。1960年代的時候，IBM就發明了這個技術。但是直到1990年代，這個技術才開始普及。采用倒裝封裝，就是不再用金屬線進行連接，而是把晶圓直接反過來，通過晶圓上的凸點（Bump），與基板進行電氣連接。和傳統金屬線方式相比，倒裝封裝的I/O（輸入/輸出）通道數更多，互連長度縮短，電性能更好。另外，在散熱和封裝尺寸方面，倒裝封裝也有優勢。

先進封裝的出現，迎合了當時時代發展的需求。它采用先進的設計和工藝，對芯片進行封裝級重構，帶來了更多的引腳數量、更小的體積、更高的系統集成度，能夠大幅提升系統的性能。進入21世紀后，隨著移動通信和互聯網革命的進一步爆發，促進芯片封裝進一步朝著高性能、小型化、低成本、高可靠性等方向發展。先進封裝技術開始進入高速發展的階段。這一時期，芯片內部布局開始從二維向三維空間發展（將多個晶粒塞在一起），陸續出現了2.5D/3D封裝、硅通孔（TSV）、重布線層（RDL）、扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圓級封裝、系統級封裝（SiP）等先進技術。

當芯片制程發展逐漸觸及摩爾定律的底線時，這些先進的封裝技術，就成了延續摩爾定律的“救命稻草”。

先進封裝的關鍵技術

• 2.5D/3D封裝

2.5D和3D封裝，都是對芯片進行堆疊封裝。2.5D封裝技術，可以將兩種或更多類型的芯片放入單個封裝，同時讓信號橫向傳送，這樣可以提升封裝的尺寸和性能。最廣泛使用的2.5D封裝方法，是通過硅中介層（Interposer）將內存和邏輯芯片（GPU或CPU等）放入單個封裝。2.5D封裝需要用到硅通孔（TSV）、重布線層（RDL）、微型凸塊等核心技術。

3D封裝是在同一個封裝體內，于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術。

2.5D和3D封裝的主要區別在于：2.5D封裝，是在Interposer上進行布線和打孔。而3D封裝，是直接在芯片上打孔和布線，連接上下層芯片堆疊。相對來說，3D封裝的要求更高，難度更大。2.5D和3D封裝起源于FLASH存儲器（NOR/NAND）及SDRAM的需求。大名鼎鼎的HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器），就是2.5D和3D封裝的典型應用。將HBM和GPU進行整合，能夠進一步發揮GPU的性能。

HBM，對于GPU很重要，對AI也很重要

HBM通過硅通孔等先進封裝工藝，垂直堆疊多個DRAM，并在Interposer上與GPU封裝在一起。HBM內部的DRAM堆疊，屬于3D封裝。而HBM與GPU合封于Interposer上，屬于2.5D封裝。現在業界很多廠商推出的新技術，例如CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等，都是由2.5D和3D封裝演變而來的。

• 系統級封裝（SiP）

大家應該都聽說過SoC（System on Chip，系統級芯片）。我們手機里面那個主芯片，就是SoC芯片。SoC，簡單來說，是將多個原本具有不同功能的芯片整合設計到一顆單一的芯片中。這樣可以最大程度地縮小體積，實現高度集成。但是，SoC的設計難度很大，同時還需要獲得其他廠商的IP（intellectual property）授權，增加了成本。

SiP（System In Packet，系統級封裝），和SoC就不一樣。SiP將多個芯片直接拿來用，以并排或疊加的方式（2.5D/3D封裝），封裝在一個單一的封裝體內。盡管SiP沒有SoC那樣高的集成度，但也夠用，也能減少尺寸，最主要是更靈活、更低成本（避免了繁瑣的IP授權步驟）。業界常說的Chiplet（小芯粒、小芯片），其實就是SiP的思路，將一類滿足特定功能的裸片（die），通過die-to-die的內部互聯技術，互聯形成大芯片。

• 硅通孔（TSV）

前面反復提到了硅通孔（through silicon via，TSV，也叫硅穿孔）。所謂硅通孔，其實原理也挺簡單，就是在硅介質層上刻蝕垂直通孔，并填充金屬，實現上下層的垂直連接，也就實現了電氣連接。

由于垂直互連線的距離最短、強度較高，所以，硅通孔可以更容易實現小型化、高密度、高性能等優點，非常適合疊加封裝（3D封裝）。硅通孔的具體工藝，我們下期再做介紹。

• 重布線層（RDL）

RDL是在芯片表面沉積金屬層和相應的介電層，形成金屬導線，并將IO端口重新設計到新的、更寬敞的區域，形成表面陣列布局，實現芯片與基板之間的連接。

RDL技術

說白了，就是在硅介質層里面重新連線，確保上下兩層的電氣連通。在3D封裝中，如果上下堆疊的是不同類型的芯片（接口不對齊），則需要通過RDL重布線層，將上下層芯片的IO進行對準。

如果說TSV實現了Z平面的延伸，那么，重布線層（RDL）技術則實現了X-Y平面進行延伸。業界的很多技術，例如WLCSP、FOWLP、INFO、FOPLP、EMIB等，都是基于RDL技術。

• 扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圓級封裝

WLP（晶圓級封裝）可分為扇入型晶圓級封裝（Fan-In WLP）和扇出型晶圓級封裝（Fan-Out WLP）兩大類。扇入型直接在晶圓上進行封裝，封裝完成后進行切割，布線均在芯片尺寸內完成，封裝大小和芯片尺寸相同。

扇出型則基于晶圓重構技術，將切割后的各芯片重新布置到人工載板上。然后，進行晶圓級封裝，最后再切割。布線可在芯片內和芯片外，得到的封裝面積一般大于芯片面積，但可提供的IO數量增加。目前量產最多的，是扇出型產品。

參考文獻：1、《芯片制造全工藝流程》，半導體封裝工程師之家；2、《一文讀懂芯片生產流程》，Eleanor羊毛衫；3.、《不得不看的芯片制造全工藝流程》，射頻學堂；4、《什么是先進封裝？和傳統封裝有什么區別？如何分類？》，失效分析工程師趙工；5、《一文了解先進封裝之倒裝芯片(FlipChip)技術》，圓圓的圓，半導體全解；6、《一文了解硅通孔(TSV)及玻璃通孔(TGV)技術》，圓圓的圓，半導體全解；7、《先進封裝發展充要條件已具，關鍵材料國產替代在即》，國金證券；8、《Chiplet先進封裝大放異彩》，民生證券；9、維基百科、百度百科、各廠商官網。
文章來源于鮮棗課堂，作者小棗君