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半導體封裝技術的演變過程

中科院半導體所 ? 來源:半導體與物理 ? 2025-07-31 10:14 ? 次閱讀
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文章來源:半導體與物理

原文作者:jjfly686

本文主要講述半導體封裝的進化。

想象一下,你要為比沙粒還小的芯片建造“房屋”——既要保護其脆弱電路,又要連接外部世界,還要解決散熱、信號干擾等問題。這就是集成電路封裝(IC Packaging)的使命。從1950年代的金屬外殼到今日的3D堆疊,封裝技術已從簡單保護殼蛻變為決定芯片性能的核心環節。

封裝簡史:四階段技術革命

1. 1950-1970年代:直插式封裝時代

TO封裝:首款晶體管封裝,金屬外殼如“小禮帽”,三根引腳裸露在外,抗機械沖擊但笨重低效。

DIP封裝:1960年代雙列直插式封裝誕生,塑料取代金屬,引腳增至64根,成為早期CPU和存儲芯片的標準“住所”。

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2. 1980年代:表面貼裝技術(SMT)革命

SOP/QFP:飛利浦開發的小外形封裝(SOP)和四邊扁平封裝(QFP),引腳細如發絲(間距0.4-1.27mm),可直接貼裝PCB,體積比DIP縮小70%。

核心突破:環氧樹脂模塑料(Epoxy Molding Compound)取代金屬外殼,實現高速自動化生產,成本大幅降低。

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3. 1990年代:陣列封裝崛起

BGA封裝:球柵陣列封裝用焊球替代引腳,I/O數量突破1000+,散熱性能提升50%。英特爾奔騰處理器率先采用,引爆PC時代。

CSP封裝:芯片尺寸封裝(Chip Scale Package)實現“封裝不增大芯片面積”,內存條從此告別臃腫。

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4. 21世紀:先進封裝(Advanced Packaging)紀元

技術目標:不再滿足于“保護”,而是通過封裝提升系統性能。

核心驅動力:摩爾定律放緩,晶體管微縮成本飆升,需通過封裝集成彌補算力缺口。

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先進封裝的核心技術

倒裝芯片(Flip Chip,1995年商用化)

原理:在芯片表面制作焊球(Solder Bumps),直接翻轉對接基板,取代金線鍵合。優勢:互聯距離縮短至微米級,電阻降低90%,蘋果A系列芯片、英偉達GPU全面采用。關鍵材料:高鉛焊料、無鉛焊料、銅柱凸塊。

晶圓級封裝(WLP,2000年普及)

工藝:直接在晶圓上完成布線(RDL層)、植球,切割后即成獨立芯片。

革命性意義:省去傳統封裝基板,厚度減薄80%,iPhoneRF芯片和傳感器依賴此技術。

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2.5D/3D堆疊(2010年后爆發)

技術 核心結構 應用場景
2.5D堆疊 硅中介層(Interposer)+TSV 英偉達H100 GPU(CoWoS)
3D堆疊 芯片直接堆疊+銅混合鍵合 HBM3內存

TSV(硅通孔):在硅片上鉆孔填充銅,實現垂直導電,信號延遲降低至皮秒級。

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原文標題:從金屬殼到3D堆疊:半導體封裝的進化

文章出處:【微信號:bdtdsj,微信公眾號:中科院半導體所】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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