匯春科技 | 解密半導體制造之封裝技術

電子封裝是集成電路芯片生產完成后不可缺少的一道工序,是器件到系統的橋梁。封裝這一生產環節對微電子產品的質量和競爭力都有極大的影響。按目前國際上流行的看法認為,在微電子器件的總體成本中,設計占了三分之一,芯片生產占了三分之一,而封裝和測試也占了三分之一,真可謂三分天下有其一。

封裝研究在全球范圍內發展迅猛,當然它也面臨著許多前所未見的挑戰;機遇與挑戰并存,中國作為全球最大的半導體應用市場,在不斷變化的商業環境中,半導體供應鏈也面臨變革。此外,美國和中國之間的貿易緊張局勢也給供應鏈帶來不確定性。

什么是封裝

封裝,即隱藏對象的屬性和實現細節,僅對外公開接口,控制在程序中屬性的讀和修改的訪問級別;將抽象得到的數據和行為(或功能)相結合,形成一個有機的整體,也就是將數據與操作數據的源代碼進行有機的結合,形成“類”,其中數據和函數都是類的成員。在電子方面,封裝是指把硅片上的電路管腳,用導線接引到外部接頭處,以便與其它器件連接。

集成電路封裝能保護芯片不受或者少受外界環境的影響,并為之提供一個良好的工作條件,以使集成電路具有穩定、正常的功能。

芯片封裝能實現電源分配;信號分配;散熱通道;機械支撐;環境保護。

封裝技術的層次

第一層次:又稱為芯片層次的封裝,是指把集成電路芯片與封裝基板或引腳架之間的粘貼固定電路連線與封裝保護的工藝,使之成為易于取放輸送,并可與下一層次的組裝進行連接的模塊元件。

第二層次:將數個第一層次完成的封裝與其他電子元器件組成一個電子卡的工藝。

第三層次:將數個第二層次完成的封裝組成的電路卡組合成在一個主電路版上使之成為一個部件或子系統的工藝。

第四層次:將數個子系統組裝成為一個完整電子產品的工藝過程。

     他們依次是芯片互連級(零級封裝)、一級封裝(多芯片組件)、二級封裝(PWB或卡)三級封裝(母板)。

封裝的分類

按照封裝中組合集成電路芯片的數目,芯片封裝可分為:單芯片封裝多芯片封裝兩大類;

按照密封的材料區分,可分為高分子材料陶瓷為主的種類;

按照器件與電路板互連方式,封裝可區分為引腳插入型表面貼裝型兩大類;

按照引腳分布形態區分,封裝元器件有單邊引腳,雙邊引腳,四邊引腳,底部引腳四種。

常見的單邊引腳有單列式封裝與交叉引腳式封裝

雙邊引腳元器件有雙列式封裝小型化封裝

四邊引腳有四邊扁平封裝

底部引腳有金屬罐式與點陣列式封裝

封裝的名詞解釋

SIP:單列式封裝         SQP:小型化封裝   

MCP:金屬鑵式封裝     DIP:雙列式封裝    

CSP:芯片尺寸封裝     QFP:四邊扁平封裝

PGA:點陣式封裝        BGA:球柵陣列式封裝  LCCC:無引線陶瓷芯片載體

封裝技術的發展階段

半導體行業對芯片封裝技術水平的劃分存在不同的標準,目前國內比較通行的標準是采取封裝芯片與基板的連接方式來劃分,總體來講,集成電路封裝封裝技術的發展可分為四個階段:

第一階段:20世紀80年代以前

(插孔原件時代)

封裝的主要技術是針腳插裝(PTH),其特點是插孔安裝到PCB上,主要形式有SIP、DIP、PGA,它們的不足之處是密度、頻率難以提高,難以滿足高效自動化生產的要求。

第二階段:20世紀80年代中期

(表面貼裝時代)

表面貼裝封裝的主要特點是引線代替針腳,引線為翼形或丁形,兩邊或四邊引出,節距為1.27到0.4mm,適合于3-300條引線,表面貼裝技術改變了傳統的PTH插裝形式,通過細微的引線將集成電路貼裝到PCB板上。主要形式為SOP(小外型封裝)、PLCC(塑料有引線片式載體)、PQFP(塑料四邊引線扁平封裝)、J型引線QFJ和SOJ、LCCC(無引線陶瓷芯片載體)等。

它們的主要優點是引線細、短,間距小,封裝密度提高;電氣性能提高;體積小,重量輕;易于自動化生產。它們所存在的不足之處是在封裝密度、I/O數以及電路頻率方面還是難以滿足ASIC、微處理器發展的需要。

第三階段:20世紀90年代

(面積陣列封裝時代)

該階段主要的封裝形式有焊球陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、無引線四邊扁平封裝(PQFN)、多芯片組件(MCM)。BGA技術使得在封裝中占有較大體積和重量的管腳被焊球所替代,芯片與系統之間的連接距離大大縮短,BGA技術的成功開發,使得一直滯后于芯片發展的封裝終于跟上芯片發展的步伐。CSP技術解決了長期存在的芯片小而封裝大的根本矛盾,引發了一場集成電路封裝技術的革命。

第四階段:進入21世紀

(微電子封裝技術堆疊式封裝時代)

進入21世紀,迎來了微電子封裝技術堆疊式封裝時代,它在封裝觀念上發生了革命性的變化,從原來的封裝元件概念演變成封裝系統。

圖 |3D晶片堆疊技術

圖 |堆疊式存儲模塊

目前,以全球半導體封裝的主流正處在第三階段的成熟期,PQFN和BGA等主要封裝技術進行大規模生產,部分產品已開始在向第四階段發展。

微機電系統(MEMS)芯片就是采用堆疊式的三維封裝。

先進封裝技術SIP

根據國際半導體路線組織(ITRS)的定義:SiP為將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件,以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優先組裝到一起,實現一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統或者子系統。

從架構上來講,SiP是將多種功能芯片,包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能。與SOC(片上系統)相對應。不同的是系統級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式,而SOC則是高度集成的芯片產品。從架構上來講,SiP是將多種功能芯片,包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內,從而實現一個基本完整的功能。與SOC(片上系統)相對應。不同的是系統級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式,而SOC則是高度集成的芯片產品。

SIP的優勢

(1)封裝效率大大提高,SIP封裝技術在同一封裝體內加多個芯片,大大減少了封裝體積。兩芯片加使面積比增加到170%,三芯片裝可使面積比增至250%。
  (2)由於SIP封裝不同於SOC無需版圖級布局布線,從而減少了設計、驗證和調試的復雜性和縮短了系統實現的時間。即使需要局部改動設計,也比SOC要簡單容易得多。大幅度的縮短產品上市場的時間
  (3)SIP封裝實現了以不同的工藝、材料制作的芯片封裝可形成一個系統,實現嵌入集成無源元件的夢幻組合。
  (4)降低系統成本。比如一個專用的集成電路系統,采用SIP封裝技術可比SOC節省更多的系統設計和生產費用。
  (5)SIP封裝技術可以使多個封裝合二為一,可使總的焊點大為減少,也可以顯著減小封裝體積、重量,縮短元件的連接路線,從而使電性能得以提高
  (6)SIP封裝采用一個封裝體實現了一個系統目標產品的全部互連以及功能和性能參數,可同時利用引線鍵合與倒裝焊互連以及其他IC芯片直接內連技術。
  (7)SIP封裝可提供低功耗和低噪音的系統級連接,在較高的頻率下工作可獲得幾乎與SOC相等的匯流排寬度。
  (8)SIP封裝具有良好的抗機械和化學腐蝕的能力以及高的可靠性
  (9)與傳統的芯片封裝不同,SIP封裝不僅可以處理數字系統,還可以應用於光通信、傳感器以及微機電MEMS等領域

智慧型手機扮演SiP成長驅動主力

與個人電腦時代相比,行動裝置產品對SiP的需求較為普遍 。就以智慧型手機來說,上網功能已是基本配備,因此與無線網路相關的Wi-Fi模組便會使用到SiP技術進行整合。 

基于安全性與保密性考量所發展出的指紋辨識功能,其相關晶片封裝亦需要SiP協助整合與縮小空間,使得指紋辨識模組開始成為SiP廣泛應用的市場;另外,壓力觸控也是智慧型手機新興功能之一,內建的壓力觸控模組(Force Touch)更是需要SiP技術的協助。 

匯春科技YS3100可使用在指紋小鎖、智能門鎖等智能安防產品,采用SIP系統級封裝,內包含指紋傳感器(96*96)+MCU+演算法,大小可切割9.5mm*9.5mm~13.1mm*13.1mm,圓型或方形皆可。

除此之外,將應用處理器(AP)與記憶體進行整合的處理器模組,以及與感測相關的MEMS模組等,亦是SiP技術的應用范疇。 

穿戴裝置/物聯網,驅動SiP需求上揚

全球終端電子產品的發展不斷地朝向輕薄短小、多功能、低功耗等趨勢邁進, SiP的成長潛力越來越大。2015年Apple Watch等穿戴式產品問世后,SiP技術擴及應用到穿戴式產品。 

 此外, 在萬物聯網的趨勢下,必然會串聯組合各種行動裝置、穿戴裝置、智慧交通、智慧醫療,以及智慧家庭等網路,多功能異質晶片整合預估將有龐大需求,低功耗也會是重要趨勢。匯春科技在2020年帶來全新的SIP系統級封裝設計服務及智能環境監測解決方案,可靈活運用在醫療、食品、化工、養殖等行業,其中YS2625可應用在智能定位手環、資產追蹤、電動車防盜器/黑盒子、換電系統等方面,SIP系統級封裝能縮短節省開發成本,大大縮小系統體積,便于生產與節約生產成本,提高可靠度,同時能使系統不易被破解,保護研發成果。

封裝技術作為信息產業的重要基礎在在產品中發揮著很大的作用。具體來說有封裝市場巨大,決定產品性能、可靠性、壽命、成本等。現代電子信息產業的競爭在某種意義上主要就是電子封裝業的競爭,它在一定程度上決定著現代工業化的水平。

匯春作為一家集研發、測試、生產、銷售為一體,專注于集成電路的芯片設計原廠,主營業務多元化、客戶優質、應用廣泛,加上國內一流的專業技術團隊,可以根據客戶的需求做個性化設計與方案開發,為客戶提供全方位的服務。

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