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    一文看懂半導體制造工藝中的封裝技術

    返回列表 來源: 發布日期:2022-04-14

    導體制造工藝流程


    半導體制造的工藝過程由晶圓制造(Wafer Fabr ication)、晶圓測試(wafer Probe/Sorting)、芯片封裝(Assemble)、測試(Test)以及后期的成品(Finish Goods)入庫所組成。

    半導體器件制作工藝分為前道和后道工序,晶圓制造和測試被稱為前道(Front End)工序,而芯片的封裝、測試及成品入庫則被稱為后道(Back End)工序,前道和后道一般在不同的工廠分開處理。

    前道工序是從整塊硅圓片入手經多次重復的制膜、氧化、擴散,包括照相制版和光刻等工序,制成三極管、集成電路等半導體元件及電極等,開發材料的電子功能,以實現所要求的元器件特性。

    后道工序是從由硅圓片分切好的一個一個的芯片入手,進行裝片、固定、鍵合聯接、塑料灌封、引出接線端子、按印檢查等工序,完成作為器件、部件的封裝體,以確保元器件的可靠性,并便于與外電路聯接。

    半導體制造工藝和流程


    晶圓制造

    晶圓制造主要是在晶圓上制作電路與鑲嵌電子元件(如電晶體、電容、邏輯閘等),是所需技術復雜且資金投入多的過程。以微處理器為例,其所需處理步驟可達數百道,而且所需加工機器先進且昂貴。雖然詳細的處理程序是隨著產品種類和使用技術的變化而不斷變化,但其基本處理步驟通常是晶圓先經過適當的清洗之后,接著進行氧化及沉積處理,后進行微影、蝕刻及離子植入等反復步驟,終完成晶圓上電路的加工與制作。

    晶圓測試

    晶圓經過劃片工藝后,表面上會形成一道一道小格,每個小格就是一個晶片或晶粒(Die),即一個獨立的集成電路。在一般情況下,一個晶圓上制作的晶片具有相同的規格,但是也有可能在同一個晶圓上制作規格等級不同的晶片。晶圓測試要完成兩個工作:一是對每一個晶片進行驗收測試,通過針測儀器(Probe)檢測每個晶片是否合格,不合格的晶片會被標上記號,以便在切割晶圓的時候將不合格晶片篩選出來;二是對每個晶片進行電氣特性(如功率等)檢測和分組,并作相應的區分標記。

    芯片封裝

    首先,將切割好的晶片用膠水貼裝到框架襯墊(Substrate)上;其次,利用超細的金屬導線或者導電性樹脂將晶片的接合焊盤連接到框架襯墊的引腳,使晶片與外部電路相連,構成特定規格的集成電路芯片(Bin);后對獨立的芯片用塑料外殼加以封裝保護,以保護芯片元件免受外力損壞。塑封之后,還要進行一系列操作,如后固化(Post Mold Cure)、切筋(Trim)、成型(Form)和電鍍(Plating)等工藝。

    芯片測試

    封裝好的芯片成功經過烤機(Burn In)后需要進行深度測試,測試包括初始測試(Initial Test)和后測試(Final Test)。初始測試就是把封裝好的芯片放在各種環境下測試其電氣特性(如運行速度、功耗、頻率等),挑選出失效的芯片,把正常工作的芯片按照電氣特性分為不同的級別。后測試是對初始測試后的芯片進行級別之間的轉換等操作。

    成品入庫

    測試好的芯片經過半成品倉庫


    微電子封裝和封裝工程


    封裝的基本定義和內涵


    封裝(packaging,PKG):主要是在半導體制造的后道工程中完成的。即利用膜技術及微細連接技術,將半導體元器件及其他構成要素在框架或基板上布置、固定及連接,引出接線端子,并通過塑性絕緣介質灌封固定,構成整體主體結構的工藝。

    封裝工程:是封裝與實裝工程及基板技術的總和。即將半導體、電子元器件所具有的電子的、物理的功能,轉變為適用于機器或系統的形式,并使之為人類社會服務的科學技術,統稱為電子封裝工程。

    封裝一詞用于電子工程的歷史并不長。在真空電子管時代,將電子管等器件安裝在管座上構成電路設備一般稱為組裝或裝配,當時還沒有封裝這一概念。自從三極管、IC等半導體元件的出現,改變了電子工程的歷史。一方面,這些半導體元件細小柔嫩;另一方面,其性能又高,而且多功能、多規格。為了充分發揮其功能,需要補強、密封、擴大,以便與外電路實現可靠地電氣聯接,并得到有效地機械支撐、絕緣、信號傳輸等方面的保護作用?!胺庋b”的概念正是在此基礎上出現的。

    封裝的功能


    封裝基本的功能是保護電路芯片免受周圍環境的影響(包括物理、化學的影響)。所以,在初的微電子封裝中,是用金屬罐(Metal Can)作為外殼,用與外界完全隔離的、氣密的方法,來保護脆弱的電子元件。但是,隨著集成電路技術的發展,尤其是芯片鈍化層技術的不斷改進,封裝的功能也在慢慢異化。

    一般來說顧客所需要的并不是芯片,而是由芯片和PKG構成的半導體器件。PKG是半導體器件的外緣,是芯片與實裝基板間的界面。因此無論PKG的形式如何,封裝主要的功能應是芯片電氣特性的保持功能。

    通常認為,半導體封裝主要有電氣特性的保持、芯片保護、應力緩和及尺寸調整配合四大功能,它的作用是實現和保持從集成電路器件到系統之間的連接,包括電學連接和物理連接。目前,集成電路芯片的I/0線越來越多,它們的電源供應和信號傳送都是要通過封裝來實現與系統的連接。芯片的速度越來越快,功率也越來越大,使得芯片的散熱問題日趨嚴重,由于芯片鈍化層質量的提高,封裝用以保護電路功能的作用其重要性正在下降。

    微電子封裝的功能


    芯片電氣特性的保持功能

    通過PKG的進步,滿足不斷發展的高性能、小型化、高頻化等方面的要求,確保其功能性。

    芯片保護功能

    PKG的芯片保護功能很直觀,保護芯片表面以及連接引線等,使在電氣或物理等方面相當柔嫩的芯片免受外力損害及外部環境的影響。保證可靠性。

    應力緩和功能

    由于熱等外部環境的影響或者芯片自身發熱等都會產生應力,PKG緩解應力,防止發生損壞失效,保證可靠性。

    尺寸調整配合(間距變化)功能

    由芯片的微細引線間距調整到實裝基板的尺寸間距,從而便于實裝操作。例如,從亞微米(目前已小于 0.13μm)為特征尺寸的芯片到以10μm為單位的芯片電極凸點,再到以100μm為單位的外部引線端子,后到以mm為單位的實裝基板,都是通過PKG來實現的。在這里PKG起著由小到大、由難到易、由復雜到簡單的變換作用。從而可使操作費用及資材費用降低,而且提高工作效率和可靠性。保證實用性或通用性。

    封裝的范圍


    微電子封裝的三個層次

    通常,從FAB廠制造的晶圓開始,可以將電子封裝,按照制造的時間先后順序分為三個層次。

    微電子封裝的三個層次


    一級封裝

    一級封裝是用封裝外殼將芯片封裝成單芯片組件(SCM)和多芯片組件(MCM)。半導體芯片和封裝體的電學互聯,通常有三種實現途徑,引線鍵合(WB)、載帶自動焊(TAB)和倒裝焊(Flip Chip),一級封裝的可以使用金屬、陶瓷,塑料(聚合物)等包封材料。封裝工藝設計需要考慮到單芯片或者多芯片之間的布線,與PCB節距的匹配,封裝體的散熱情況等。

    二級封裝

    二級封裝是印刷電路板的封裝和裝配,將一級封裝的元器件組裝到印刷電路板(PCB)上,包括板上封裝單元和器件的互連,包括阻抗的控制、連線的精細程度和低介電常數材料的應用。除了特別要求外,這一級封裝一般不單獨加封裝體,具體產品如計算機的顯卡,PCI數據采集卡等都屬于這一級封裝。如果這一級封裝能實現某些完整的功能,需要將其安裝在同一的殼體中,例如Ni公司的USB數據采集卡,創新的外置USB聲卡等。

    三級封裝

    三級封裝是將二級封裝的組件查到同一塊母板上,也就是關于插件接口、主板及組件的互連。這一級封裝可以實現密度更高,功能更全組裝,通常是一種立體組裝技術。例如一臺PC的主機,一個NI公司的PXI數據采集系統,汽車的GPS導航儀,這些都屬于三級微電子封裝的產品。

    微電子封裝工程和電子基板


    微電子封裝是一個復雜的系統工程,類型多、范圍廣,涉及各種各樣材料和工藝??砂磶缀尉S數將電子封裝分解為簡單的“點、線、面、體、塊、板”等。

    電子基板是半導體芯片封裝的載體,搭載電子元器件的支撐,構成電子電路的基盤,按其結構可分為普通基板、印制電路板、模塊基板等幾大類。其中PCB在原有雙面板、多層板的基礎上,近年來又出現積層(build-up)多層板。模塊基板是指新興發展起來的可以搭載在PCB之上,以BGA、CSP、TAB、MCM為代表的封裝基板(Package Substrate,簡稱PKG基板)。小到芯片、電子元器件,大到電路系統、電子設備整機,都離不開電子基板。近年來在電子基板中,高密度多層基板所占比例越來越大。

    微電子封裝所涉及的各個方面幾乎都是在基板上進行或與基板相關。在電子封裝工程所涉及的四大基礎技術,即薄厚膜技術、微互連技術、基板技術、封接與封裝技術中,基板技術處于關鍵與核心地位。隨著新型高密度封裝形式的出現,電子封裝的許多功能,如電氣連接,物理保護,應力緩和,散熱防潮,尺寸過渡,規格化、標準化等,正逐漸部分或全部的由封裝基板來承擔。

    微電子封裝的范圍涉及從半導體芯片到整機,在這些系統中,生產電子設備包括6個層次,也即裝配的6個階段。我們從電子封裝工程的角度,按習慣一般稱層次1為零級封裝;層次2為一級封裝;層次3為二級封裝;層次4、5、6為三級封裝。

    電子封裝的工程的六個階段


    層次1(裸芯片)

    它是特指半導體集成電路元件(IC芯片)的封裝,芯片由半導體廠商生產,分為兩類,一類是系列標準芯片,另一類是針對系統用戶特殊要求的專用芯片,即未加封裝的裸芯片(電極的制作、引線的連接等均在硅片之上完成)。

    層次2(封裝后的芯片即集成塊)

    分為單芯片封裝和多芯片封裝兩大類。前者是對單個裸芯片進行封裝,后者是將多個裸芯片裝載在多層基板(陶瓷或有機)上進行氣密性封裝構成MCM。

    層次3(板或卡)

    它是指構成板或卡的裝配工序。將多個完成層次2的單芯片封裝和MCM,實裝在PCB板等多層基板上,基板周邊設有插接端子,用于與母板及其它板或卡的電氣連接。

    層次4(單元組件)

    將多個完成層次3的板或卡,通過其上的插接端子搭載在稱為母板的大型PCB板上,構成單元組件。

    層次5(框架件)

    它是將多個單元構成(框)架,單元與單元之間用布線或電纜相連接。

    層次6(總裝、整機或系統)

    它是將多個架并排,架與架之間由布線或電纜相連接,由此構成大型電子設備或電子系統。

    封裝基板和封裝分級


    從硅圓片制作開始,微電子封裝可分為0、1、2、3四個等級,涉及上述六個層次,封裝基板(PKG基板或Substrate)技術現涉及1、2、3三個等級和2~5的四個層次。

    封裝基板主要研究前3個級別的半導體封裝(1、2、3級封裝),0級封裝暫與封裝基板無關,因此封裝基板一般是指用于1級2級封裝的基板材料,母板(或載板)、剛撓結合板等用于三級封裝。

    封裝基板和三級封裝


    零級封裝

    裸芯片電極的制作、引線的連接等均在硅片之上完成,暫與基板無關。

    一級封裝

    一級封裝經0級封裝的單芯片或多芯片在封裝基板(普通基板、多層基板、HDI基板)上的封裝,構成集成電路模塊(或元件)。即芯片在各類基板(或中介板)上的裝載方式。

    二級封裝

    二級封裝集成電路(IC元件或IC塊)片在封裝基板(普通基板、多層基板、HDI基板)上的封裝,構成板或卡。即各種實裝方式(二級封裝或一級加二級封裝)。后續談到的的DIP、PGA屬于DIP封型,GFP、BGA、CSP等屬于SMT實裝型,這些都屬于二級封裝。

    三級封裝

    三級封裝包含4、5、6三個層次。即將多個完成層次3的板或卡,通過其上的插接端子搭載在稱為母板(或載板)的大型PCB板上,構成單元組件(此層次也是實裝方式之一);或是將多個單元構成架,單元與單元之間用布線(剛撓PCB)或電纜相連接;或是將多個架并排,架與架之間由布線(剛撓PCB)或電纜相連接,由此構成大型電子設備或系統(此兩個層次稱為裝聯)。

    傳統集成電路(IC)封裝的主要生產過程


    IC的封裝工藝流程可分為晶圓切割、晶圓粘貼、金線鍵合、塑封、激光打印、切筋打彎、檢驗檢測等步驟。

    傳統半導體封裝的七道工序


    晶圓切割

    首先將晶片用薄膜固定在支架環上,這是為了確保晶片在切割時被固定住,然后把晶圓根據已有的單元格式被切割成一個一個很微小的顆粒,切割時需要用去離子水冷卻切割所產生的溫度,而本身是防靜電的。

    晶圓粘貼

    晶圓粘貼的目的將切割好的晶圓顆粒用銀膏粘貼在引線框架的晶圓廟上,用粘合劑將已切下來的芯片貼裝到引線框架的中間燥盤上。通常是環氧(或聚酰亞胺)用作為填充物以增加粘合劑的導熱性。

    金線鍵合

    金線鍵合的目的是將晶圓上的鍵合壓點用及細的金線連接到引線框架上的內引腳上,使得晶圓的電路連接到引腳。通常使用的金線的一端燒成小球,再將小球鍵合在第一焊點。然后按照設置好的程序拉金線,將金線鍵合在第二焊點上。

    塑封

    將完成引線鍵合的芯片與引線框架置于模腔中,再注入塑封化合物環氧樹脂用于包裹住晶圓和引線框架上的金線。這是為了保護晶圓元件和金線。塑封的過程分為加熱注塑,成型二個階段。塑封的目的主要是:保護元件不受損壞;防止氣體氧化內部芯片;保證產品使用安全和穩定。

    激光打印

    激光打印是用激光射線的方式在塑封膠表面打印標識和數碼。包括制造商的信息,器件代碼,封裝日期,可以作為識別和可追溯性。

    切筋打彎

    將原來連接在一起的引線框架外管腳切斷分離,并將其彎曲成設計的形狀,但不能破壞環氧樹脂密封狀態,并避免引腳扭曲變形,將切割好的產品裝入料管或托盤便于轉運。

    檢驗

    檢驗檢查產品的外觀是否能符合設計和標準。常見的的測試項目包括:打印字符是否清晰、正確,引腳平整性、共面行,引腳間的腳距,塑封體是否損傷、電性能及其它功能測試等。

    半導體封裝技術和工藝


    半導體封裝技術


    芯片封裝的實質:

    傳統意義的芯片封裝一般指安放集成電路芯片所用的封裝殼體,它同時可包含將晶圓切片與不同類型的芯片管腳架及封裝材料形成不同外形的封裝體的過程。從物理層面看,它的基本作用為:為集成電路芯片提供穩定的安放環境,保護芯片不受外部惡劣條件(例如灰塵,水氣)的影響。從電性層面看,芯片封裝同時也是芯片與外界電路進行信息交互的鏈路,它需要在芯片與外界電路間建立低噪聲、低延遲的信號回路。

    然而不論封裝技術如何發展,歸根到底,芯片封裝技術都是采用某種連接方式把晶圓切片上的管腳與引線框架以及封裝殼或者封裝基板上的管腳相連構成芯片。而封裝的本質就是規避外界負面因素對芯片內部電路的影響,同時將芯片與外部電路連接,當然也同樣為了使芯片易于使用和運輸。

    芯片封裝技術越來越先進,管角間距越來越小,管腳密度卻越來越高,芯片封裝對溫度變化的耐受性越來越好,可靠性越來越高。另外一個重要的指標就是看芯片與封裝面積的比例。

    此外,封裝技術中的一個主要問題是芯片占用面積,即芯片占用的印刷電路板(PCB)的面積。從早期的DIP封裝,當前主流的CSP封裝,芯片與封裝的面積比可達1:1.14,已經十分接近1:1的理想值。而更先進MCM到SiP封裝,從平面堆疊到垂直堆疊,芯片與封裝的面積相同的情況下進一步提高性能。

    各種常用封裝管殼
    封裝管殼內部

    封裝技術工藝發展歷程:
    半導體封裝技術的發展歷史可劃分為三個階段。

    半導體封裝技術的發展歷史


    第一階段(20世紀70年代之前)

    以通孔插裝型封裝為主;典型的封裝形式包括初的金屬圓形(TO型)封裝,以及后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷-玻璃雙列直插封裝(Cer DIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)等;其中的PDIP,由于其性能優良、成本低廉,同時又適于大批量生產而成為這一階段的主流產品。

    第二階段(20世紀80年代以后)

    從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉變,從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發展。表面貼裝技術被稱為電子封裝領域的一場革命,得到迅猛發展。與之相適應,一些適應表面貼裝技術的封裝形式,如塑料有引線片式裁體(PLCC)、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP)、塑料小外形封裝(PSOP)以及無引線四邊扁平封裝(PQFN)等封裝形式應運而生,迅速發展。其中的PQFP,由于密度高、引線節距小、成本低并適于表面安裝,成為這一時期的主導產品。

    第三階段(20世紀90年代以后)

    半導體發展進入超大規模半導體時代,特征尺寸達到0.18-0.25μm,要求半導體封裝向更高密度和更高速度方向發展。因此,半導體封裝的引線方式從平面四邊引線型向平面球柵陣列型封裝發展,引線技術從金屬引線向微型焊球方向發展。

    在此背景下,焊球陣列封裝(BGA)獲得迅猛發展,并成為主流產品。BGA按封裝基板不同可分為塑料焊球陣列封裝(PBGA),陶瓷焊球陣列封裝(CBGA),載帶焊球陣列封裝(TBGA),帶散熱器焊球陣列封裝(EBGA),以及倒裝芯片焊球陣列封裝(FC-BGA)等。

    為適應手機、筆記本電腦等便攜式電子產品小、輕、薄、低成本等需求,在BGA的基礎上又發展了芯片級封裝(CSP);CSP又包括引線框架型CSP、柔性插入板CSP、剛性插入板CSP、園片級CSP等各種形式,目前處于快速發展階段。

    同時,多芯片組件(MCM)和系統封裝(SiP)也在蓬勃發展,這可能孕育著電子封裝的下一場革命性變革。MCM按照基板材料的不同分為多層陶瓷基板MCM(MCM-C)、多層薄膜基板MCM(MCM-D)、多層印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜混合基板MCM(MCM-C/D)等多種形式。SiP是為整機系統小型化的需要,提高半導體功能和密度而發展起來的。SiP使用成熟的組裝和互連技術,把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感等集成到一個封裝體內,實現整機系統的功能。

    目前,半導體封裝處于第三階段的成熟期與快速增長期,以BGA/CSP等主要封裝形式開始進入規?;a階段。同時,以SiP和MCM為主要發展方向的第四次技術變革處于孕育階段。

    半導體封裝材料


    半導體元件的封接或封裝方式分為氣密性封裝和樹脂封裝兩大類,氣密性封裝又可分為金屬封裝、陶瓷封裝和玻璃封裝。封接和封裝的目的是與外部溫度、濕度、氣氛等環境隔絕,除了起保護和電氣絕緣作用外,同時還起向外散熱及應力緩和作用。一般來說,氣密性封裝可靠性高,但價格也高。目前由于封裝技術及材料的改進,樹脂封裝已占絕對優勢,但在有些特殊領域(軍工、航空、航天、航海等),氣密性封裝是必不可少的。

    按封裝材料可劃分為:金屬封裝、陶瓷封裝(C)、塑料封裝(P)。采用前兩種封裝的半導體產品主要用于航天、航空及軍事領域,而塑料封裝的半導體產品在民用領域得到了廣泛的應用。目前樹脂封裝已占世界集成電路封裝市場的98%,97%以上的半導體器件的封裝都采用樹脂封裝,在消費類電路和器件領域基本上是樹脂封裝一統天下,而90%以上的塑封料是環氧樹脂塑封料和環氧液體灌封料。



    芯片電學(零級封裝)互連:

    在一級封裝中,有個很重要的步驟就是將芯片和封裝體(進行電學互連的過程,通常稱為芯片互連技術或者芯片組裝。為了凸顯其重要性,有些教科書也將其列為零級封裝。也就是將芯片上的焊盤或凸點與封裝體通常是引線框架用金屬連接起來)。在微電子封裝中,半導體器件的失效約有一是由于芯片互連引起的,其中包括芯片互連處的引線的短路和開路等,所以芯片互連對器件的可靠性非常重要。

    常見的芯片電學互連有三種方式,分別是引線鍵合,載帶自動焊和倒裝焊。

    通常,TAB和FC雖然互連的電學性能要比好,但是都需要額外的設備。因此,對于I/O數目較少的芯片,TAB和FC成本很高,另外,在3D封裝中,由于芯片堆疊,堆疊的芯片不能都倒扣在封裝體上,只能通過WB與封裝體之間進行互連?;谶@些原因,到目前為止,WB一直是芯片互連的主流技術,在芯片電學互連中占據非常重要的地位。

    芯片電學互連(零級封裝)的三種方式


    引線鍵合(WB)

    引線鍵合(WB)是將芯片焊盤和對應的封裝體上焊盤用細金屬絲一一連接起來,每次連接一根,是簡單的一種芯片電學互連技術,按照電氣連接方式來看屬于有線鍵合。

    載帶自動焊(TAB)

    載帶自動焊(TAB)是一種將IC安裝和互連到柔性金屬化聚合物載帶上的IC組裝技術。載帶內引線鍵合到IC上,外引線鍵合到常規封裝或者PCB上,整個過程均自動完成,因此,效率比要高。按照電氣連接方式來看屬于無線鍵合方法。

    倒裝焊(FC)

    倒裝焊(FC)是指集成電路芯片的有源面朝下與載體或基板進行連接。芯片和基板之間的互連通過芯片上的凸點結構和基板上的鍵合材料來實現。這樣可以同時實現機械互連和電學互連。同時為了提高互連的可靠性,在芯片和基板之間加上底部填料。對于高密度的芯片,倒裝焊不論在成本還是性能上都有很強的優勢,是芯片電學互連的發展趨勢。按照電氣連接方式來看屬于無線鍵合方法。

    半導體封裝的典型封裝工藝簡介


    依據封裝管腳的排布方式、芯片與PCB板連接方式以及發展的時間先后順序,半導體封裝可劃分為PTH封裝(Pin-Through-Hole)和SMT封裝(Surface-Mount-Technology)二大類,即通常所稱的插孔式(或通孔式)和表面貼裝式。

    針腳插裝技術(PTH):

    針腳插裝封裝,顧名思義即在芯片與目標板的連接過程中使用插裝方式,古老而經典DIP封裝即屬于該種封裝形式。在早期集成電路中由于芯片集成度不高,芯片工作所需的輸入/輸出管腳數較少,所以多采用該種封裝形式。DIP封裝有兩種衍生封裝形式,即為:SiP和ZIP,只是為適應不同的應用領域,對傳統DIP封裝在封裝殼管腳排布和形狀上略有改進。

    PTH封裝示意圖

    表面貼裝封裝(SMT):

    PTH封裝在機械連接強度上的優勢毋庸質疑,但同時也帶來一些負面效應。PTH封裝中使用的貫通孔將大量占用PCB板有效布線面積,因此目前主流的PCB板設計中多使用表面貼片封裝。

    表面貼片封裝有很多種類,常用的封裝形式有:

    • 小型塑封晶體管(Small Outline Transistor,SOT)
    • 小引出線封裝(Smal lOutline Package,SOP)
    • 四方扁平無引線封裝(Quad Flat No-lead Package,QFN)
    • 薄小縮小外形封裝(Thin Small Shrink Outline Package,TSSOP)
    • 方型扁平式封裝(Quad Flat Package,QFP)
    • 方形扁平無引腳封裝(QFN)

    從SOT到QFN,芯片封裝殼支持的管腳數越來越多,芯片封裝殼的管角間距越來越小。

    表面貼片封裝方式的優點在于芯片封裝的尺寸大大下降,芯片封裝的管腳密度大大提升,與PTH封裝具有相同管腳數量時,表面貼片封裝的封裝尺寸將遠小于PTH封裝。表面貼片封裝只占用PCB板表層布線空間,在使用多層布線工藝時,封裝占用的有效布線面積大大下降,可以大大提高PCB板布線密度和利用率。

    BGA:

    封裝伴隨著芯片集成度不斷提高,為使芯片實現更復雜的功能,芯片所需的輸入/輸出管腳數量也進一步提升,面對日趨增長的管腳數量和日趨下降的芯片封裝尺寸,微電子封裝提出了一種新的封裝形式BGA封裝。

    BGA封裝的底部按照矩陣方式制作引腳,引腳的形狀為球形,在封裝殼的正面裝配芯片,有時也會將BGA芯片與球形管腳放在基板的同一側。BGA封裝是大規模集成電路的一種常用封裝形式。BGA封裝按照封裝殼基板材質的不同,可分為三類:塑料BGA、陶瓷BGA、載帶BGA。

    BGA封裝具有以下共同特點:

    • 芯片封裝的失效率較低;
    • 提升器件管腳數量與封裝殼尺寸的比率,減小了基板面積;
    • 管腳共面較好,減少管腳共面損害帶來的焊接不良;
    • BGA引腳為焊料值球,不存在引腳變形問題;
    • BGA封裝引腳較短,輸入/輸出信號鏈路大大縮短,減少了因管腳長度引入的電阻/電容/電感效應,改善了封裝殼的寄生參數;
    • BGA球柵陣列與PCB板接觸點較多,接觸面積較大,有利于芯片散熱,BGA封裝有利提高封裝的封裝密度。

    BGA封裝使用矩陣形式的管腳排列,相對于傳統的貼片封裝,在相同管腳數量下,BGA封裝的封裝尺寸可以做的更小,同時也更節省PCB板的布線面積。

    芯片級(CSP)封裝技術


    CSP定義

    根據J-STD-012標準的定義,CSP是指封裝尺不超過裸芯片1.2倍的一種先進的封裝形式。一般認為CSP技術是在對現有的芯片封裝技術,尤其是對成熟的BGA封裝技術做進一步技術提升的過程中,不斷將各種封裝尺寸進一步小型化而產生的一種封裝技術。

    CSP技術可以確保超大規模集成電路在高性能、高可靠性的前提下,以低廉的成本實現封裝的尺寸接近裸芯片尺寸。與QFP封裝相比,CSP封裝尺寸小于管腳間距為0.5mm的QFP封裝的1/10;與BGA封裝相比,CSP封裝尺寸約為BGA封裝的1/3。

    當封裝尺寸固定時,若想進一步提升管腳數,則需縮小管腳間距。受制于現有工藝,不同封裝形式存在工藝極限值。如BGA封裝矩陣式值球高可達1000個,但CSP封裝可支持超出2000的管腳。

    CSP的主要結構有內芯芯片、互連層、焊球(或凸點、焊柱)、保護層等幾大部分,芯片與封裝殼是在互連層實現機械連接和電性連接。其中,互連層是通過載帶自動焊接或引線鍵合、倒裝芯片等方法,來實現芯片與焊球之間的內部連接,是CSP關鍵組成部分。

    目前有多種符合CSP定義的封裝結構形式,其特點有:

    • CSP的芯片面積與封裝面積之比與1:1的理想狀況非常接近,絕對尺寸為32mm2,相當于BGA的三分之一和TSOP的六分之一,即CSP可將內存容量提高3~6倍之多。
    • 測試結果顯示,CSP可使芯片88.4%的工作熱量傳導至PCB,熱阻為35℃/W-1,而TSOP僅能傳導總熱量的71.3%,熱阻為40℃/W-1。
    • CSP所采用的中心球形引腳形式能有效地縮短信號的傳導距離,信號衰減也隨之減少,芯片的抗干擾、抗噪性能更強,存取時間比BGA減少15%~20%,完全能適應DDRⅡ,DRDRAM等超高頻率內存芯片的實際需要。
    • CSP可容易地制造出超過1000根信號引腳數,即使復雜的內存芯片都能封裝,在引腳數相同的情況下,CSP的組裝遠比BGA容易。CSP還可進行全面老化、篩選、測試,且操作、修整方便,能獲得真正的KGD(Known GoodDie已知合格芯片)芯片。

    CSP封裝形式主要有如下分類


    芯片級封裝的主要類型:

    柔性基片CSP

    顧名思義是采用柔性材料制成芯片載體基片,在塑料薄膜上制作金屬線路,然后將芯片與之連接。柔性基片CSP產品,芯片焊盤與基片焊盤間的連接方式可以是倒裝鍵合、TAB鍵合、引線鍵合等多種方式,不同連接方式封裝工藝略有差異。

    硬質基片CSP

    其芯片封裝載體基材為多層線路板制成,基板材質可為陶瓷或層壓樹脂板。

    引線框架CSP

    技術是由日本的Fujitsu公司首先研發成功,使用與傳統封裝相類似的引線框架來完成CSP封裝。引線框架CSP技術使用的引線框架與傳統封裝引線框架的區別在于該技術使用的引線框架尺寸稍小,厚度稍薄。

    微小模塑型CSP

    是由日本三菱電機公司提出的一種CSP封裝形式。芯片管腳通過金屬導線與外部焊球連接,整個封裝過程中不需使用額外引線框架,封裝內芯片與焊球連接線很短,信號品質較好。

    晶圓級CSP

    由ChipScale公司開發。其技術特點在于直接使用晶圓制程完成芯片封裝。與其他各類CSP相比,晶級CSP所有工藝使用相同制程完成,工藝穩定?;谏鲜鰞烖c,晶級CSP封裝有望成為未來的CSP封裝的主流方式。

    先進封裝


    堆疊封裝:

    堆疊封裝分類:

    堆疊封裝技術是一種對兩個以上芯片(片芯、籽芯)、封裝器件或電路卡進行機械和電氣組裝的方法,在有限的空間內成倍提高存儲器容量,或實現電子設計功能,解決空間、互連受限問題。

    堆疊封裝分為定制堆疊和標準商業堆疊兩大類型:前者是通過芯片層次工藝高密度化,其設計和制造成本相對較高;后者采用板卡堆疊、柔性電路連接器聯接、封裝后堆疊、芯片堆疊式封裝等方式,其成本比采用單芯片封裝器件的存儲器模塊高平均15%~20%。應該看到,芯片堆疊式封裝的成本效率高,在一個封裝體內有2~5層芯片堆疊,從而能在封裝面積不變的前提下,有效利用立體空間提高存儲容量,主要用于DRAM、閃存和SRAM。另外,通過堆疊TSOP可分別節約50%或77%的板級面積。

    堆疊封裝的特點:

    芯片堆疊封裝主要強調用于堆疊的基本“元素”是晶圓切片。

    多芯片封裝、堆疊芯片尺寸封裝、超薄堆疊芯片尺寸封裝等均屬于芯片堆疊封裝的范疇。芯片堆疊封裝技術優勢在于采用減薄后的晶圓切片可使封裝的高度更低。

    堆疊封裝有兩種不同的表現形式,即PoP堆疊(Package on Package,PoP)和PiP堆疊(Package in Package Stacking,PiP)。

    PoP堆疊使用經過完整測試且封裝完整的芯片,其制作方式是將完整的單芯片或堆疊芯片堆疊到另外一片完整單芯片或堆疊芯片的上部。其優勢在于參與堆疊的基本“元素”為成品芯片,所以該技術理論上可將符合堆疊要求的任意芯片進行堆疊。

    PiP堆疊使用經過簡單測試的內部堆疊模塊和基本組裝封裝作為基本堆疊模塊,但受限于內部堆疊模塊和基本組裝封裝的低良率,PiP堆疊成品良率較差。但PiP的優勢也十分明顯,即在堆疊中可使用焊接工藝實現堆疊連接,成本較為低廉。

    PoP封裝外形高度高于PiP封裝,但是裝配前各個器件可以單獨完整測試,封裝后的成品良率較好。

    堆疊封裝技術中封裝后成品體積小的應屬3D封裝技術。

    3D封裝可以在更小,更薄的封裝殼內封裝更多的芯片。按照結構3D封裝可分為芯片堆疊封裝和封裝堆疊封裝。

    晶圓級封裝(WLP)


    WLP的優勢:

    晶圓級封裝(WLP)就是在封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓(大圓片)進行操作,對晶圓級封裝(WLP)的需求不僅受到更小封裝尺寸和高度的要求,還必須滿足簡化供應鏈和降低總體成本,并提高整體性能的要求。

    晶圓級封裝提供了倒裝芯片這一具有極大優勢的技術,倒裝芯片中芯片面朝下對著印刷電路板(PCB),可以實現短的電路徑,這也保證了更高的速度,降低成本是晶圓級封裝的另一個推動力量。

    器件采用批量封裝,整個晶圓能夠實現一次全部封裝。在給定晶片上封裝器件的成本不會隨著每片晶片的裸片數量而改變,因為所有工藝都是用掩模工藝進行的加成和減法的步驟。

    WLP技術的兩種類型:

    總體來說,WLP技術有兩種類型:“扇入式”(fan-in)和“扇出式”(fan-out)晶圓級封裝。

    傳統扇入WLP在晶圓未切割時就已經形成。在裸片上,終的封裝器件的二維平面尺寸與芯片本身尺寸相同。器件完全封裝后可以實現器件的單一化分離(singulation)。因此,扇入式WLP是一種獨特的封裝形式,并具有真正裸片尺寸的顯著特點。具有扇入設計的WLP通常用于低輸入/輸出(I/O)數量(一般小于400)和較小裸片尺寸的工藝當中。

    另一方面,隨著封裝技術的發展,逐漸出現了扇出式WLP。扇出WLP初始用于將獨立的裸片重新組裝或重新配置到晶圓工藝中,并以此為基礎,通過批量處理、構建和金屬化結構,如傳統的扇入式WLP后端處理,以形成終封裝。

    扇出式WLP可根據工藝過程分為芯片先上(Die First)和芯片后上(Die Last),芯片先上工藝,簡單地說就是先把芯片放上,再做布線(RDL),芯片后上就是先做布線,測試合格的單元再把芯片放上去,芯片后上工藝的優點就是可以提高合格芯片的利用率以提高成品率,但工藝相對復雜。eWLB就是典型的芯片先上的Fan out工藝,長電科技星科金朋的Fan-out,安靠(Amkor)的葡萄牙工廠均采用的芯片先上的工藝。TSMC的INFO也是芯片先上的Fan-out產品。安靠和ASE也都有自己成熟的芯片后上的Fan-out工藝。

    在電子設備的發展歷史中,WLP封裝技術的推廣產生了很多全新的產品。

    例如得益于WLP的使用,摩托羅拉能夠推出其RAZR手機,該手機也是其推出時薄的手機。新型號的iPhone采用了超過50顆WLP,智能手機是WLP發展的大推動力。

    隨著金線價格的上漲,一些公司也正在考慮采用WLP作為低成本替代方案,而不是采用引線鍵合封裝,尤其是針對更高引腳數的器件。近幾年中,WLP也已經被廣泛用于圖像傳感器的應用中。目前,硅通孔(TSV)技術已被納入用于封裝圖像傳感器的WLP解決方案。其他更新的封裝技術也在逐漸發展,并與現有的WLP技術進行整合,例如三維(3D)集成技術。

    2.5D/3D先進封裝集成工藝


    新興的2.5D和3D技術有望擴展到倒裝芯片和晶圓級封裝工藝中。通過使用硅中介層(Interposers)和硅通孔(TSV)技術,可以將多個芯片進行垂直堆疊。TSV堆疊技術實現了在不增加IC平面尺寸的情況下,融合更多的功能到IC中,允許將更大量的功能封裝到IC中而不必增加其平面尺寸,并且硅中介層用于縮短通過集成電路中的一些關鍵電通路來實現更快的輸入和輸出。因此,使用先進封裝技術封裝的應用處理器和內存芯片將比使用舊技術封裝的芯片小約30%或40%,比使用舊技術封裝的芯片快2~3倍,并且可以節省高達40%或者更多的功率。

    2.5D和3D技術的復雜性以及生產這些芯片的IC制造商(Fab)和外包封裝/測試廠商的經濟性意味著IDM和代工廠仍需要處理前端工作,而外包封裝/測試廠商仍然適合處理后端過程,比如通過露出、凸點、堆疊和測試。外包封裝/測試廠商的工藝與生產主要依賴于內插件的制造,這是一種對技術要求較低的成本敏感型工藝。

    三維封裝可以更高效地利用硅片,達到更高的“硅片效率”。硅片效率是指堆疊中的總基板面積與占地面積的比率。因此,與其他2D封裝技術相比,3D技術的硅效率超過了100%。而在延遲方面,需要通過縮短互連長度來減少互連相關的寄生電容和電感,從而來減少信號傳播延遲。而在3D技術中,電子元件相互靠得很近,所以延遲會更少。相類似,3D技術在降低噪聲和降低功耗方面的作用在于減少互連長度,從而減少相關寄生效應,從而轉化為性能改進,并更大程度的降低成本。此外,采用3D技術在降低功耗的同時,可以使3D器件以更高的頻率運行,而3D器件的寄生效應、尺寸和噪聲的降低可實現更高的每秒轉換速率,從而提高整體系統性能。

    3D集成技術作為2010年以來得到重點關注和廣泛應用的封裝技術,通過用3D設備取代單芯片封裝,可以實現相當大的尺寸和重量降低。這些減少量的大小部分取決于垂直互連密度和可獲取性(accessibility)和熱特性等。據報道,與傳統封裝相比,使用3D技術可以實現40~50倍的尺寸和重量減少。

    舉例來說,德州儀器(TI)的3D裸片封裝與離散和平面封裝(MCM)之間的體積和重量相比,可以減少5~6倍的體積,并且在分立封裝技術上可以減少10~20倍。此外,與MCM技術相比,重量減少2~13倍,與分立元件相比,重量減少3~19倍。此外,封裝技術中的一個主要問題是芯片占用面積,即芯片占用的印刷電路板(PCB)的面積。在采用MCM的情況下,芯片占用面積減少20%~90%,這主要是因為裸片的使用。

    系統級封裝SiP技術


    SiP是半導體封裝領域的高端的一種新型封裝技術,將一個或多個IC芯片及被動元件整合在一個封裝中,綜合了現有的芯核資源和半導體生產工藝的優勢。SiP是為整機系統小型化的需要,提高半導體功能和密度而發展起來的。SiP使用成熟的組裝和互連技術,把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感等集成到一個封裝體內。

    自從1960年代以來,集成電路的封裝形式經歷了從雙列直插、四周扁平封裝、焊球陣列封裝和圓片級封裝、芯片尺寸封裝等階段。而小型化、輕量化、高性能、多功能、高可靠性和低成本的電子產品的總體發展趨勢使得單一芯片上的晶體管數目不再是面臨的主要挑戰,而是要發展更先進的封裝及時來滿足產品輕、薄、短、小以及與系統整合的需求,這也使得在獨立的系統(芯片或者模塊)內充分實現芯片的功能成為需要克服的障礙。這樣的背景是SiP逐漸成為近年來集成電路研發機構和半導體廠商的重點研究對象。SiP作為一種全新的集成方法和封裝技術,具有一系列獨特的技術優勢,滿足了當今電子產品更輕、更小和更薄的發展需求,在微電子領域具有廣闊的應用市場和發展前景。

    SiP/SoP


    近年來,隨著消費類電子產品(尤其是移動通信電子產品)的飛速發展,使得三維高密度系統級封裝(3D SiP,System in Package/SoP,System on Package)成為了實現高性能、低功耗、小型化、異質工藝集成、低成本的系統集成電子產品的重要技術方案,國際半導體技術路線(ITRS)已經明確SiP/SoP將是未來超越摩爾(More than Moore)定律的主要技術。SiP從結構方向上可以分為兩類基本的形式,一類是多塊芯片平面排布的二維封裝結構(2D SiP),另一類是芯片垂直疊裝的三維封裝/集成結構(3D SiP)。

    在2DSiP結構中,芯片并排水平貼裝在基板上的,貼裝不受芯片尺寸大小的限制,工藝相對簡單和成熟,但其封裝面積相應地比較大,封裝效率比較低。3DSiP可實現較高的封裝效率,能大限度地發揮SiP的技術優勢,是實現系統集成的為有效的技術途徑,實際上涉及多種先進的封裝技術,包括封裝堆疊(PoP)、芯片堆疊(CoC)、硅通孔(TSV)、埋入式基板(Embedded Substrate)等,也涉及引線鍵合、倒裝芯片、微凸點等其他封裝工藝。3DSiP的基本概念正是將可能實現的多種功能集成于一個系統中,包括微處理器、存儲器、模擬電路、電源轉化模塊、光電器件等,還可能將散熱通道等部件也集成在封裝中,大程度的體現SiP的技術優勢。

    系統級封裝技術可以解決目前我們遇到的很多問題,其優勢也是越來越明顯,如產品設計的小型化、功能豐富化、產品可靠性等,產品制造也越來越極致,尤為重要的是,提高了生產效率,并大幅降低了生產成本。當然,難點也是存在的,系統級封裝的實現,需要各節點所有技術,而不是某一技術所能實現的,這對封裝企業來說,就需要有足夠的封裝技術積累及可靠的封裝平臺支撐,如高密度模組技術、晶圓級封裝技術等。

    多芯片組件(MCM)


    多芯片組件(MCM)屬于系統級封裝,是電子封裝技術層面的大突破。MCM是指一個封裝體中包含通過基板互連起來,共同構成整個系統的封裝形式的兩個或兩個以上的芯片。并為組件中的所有芯片提供信號互連、I/O管理、熱控制、機械支撐和環境保護等條件。根據所用多層布線基板的類型不同,MCM可分為疊層多芯片組件(MCM-L)、陶瓷多芯片組件(MCM-C)、淀積多芯片組件(MCM-D)以及混合多芯片組件(MCM–C/D)等。

    多芯片封裝技術從某種程度上而言可以減少由芯片功能過于復雜帶來的研發壓力。由于多芯片方案可以使用完全獨立的成熟芯片搭建系統,無論從成本角度還是從技術角度考慮,單芯片方案的研發難度遠大于多芯片方案?,F階段產品發展的趨勢為小型化便攜式產品,產品外部尺寸的縮小將壓縮芯片可用布線空間,這就迫使封裝技術改善封裝的尺寸來適應更小型的產品。




    封裝基板已經是半導體封裝中

    價值量大的耗材


    封裝基板是IC芯片封裝的新興載體


    傳統的半導體封裝,是使用引線框架作IC導通線路與支撐IC的載具,它連接引腳于引線框架的兩旁或四周。隨著半導體封裝技術的發展,當引腳數增多(超過300個引腳),傳統的QFP等封裝形式已對其發展有所限制。這樣,在20世紀90年代中期,以BGA、CSP為代表的新型半導體封裝形式問世,隨之也產生了一種半導體芯片封裝必要的新載體,這就是半導體封裝基板(IC Package Substrate,又稱為半導體封裝載板)。

    IC封裝基板起到在芯片與常規印制電路板(多為主板、母板、背板)的不同線路之間提供電氣連接(過渡)的作用,同時為芯片提供保護、支撐、散熱的通道,以及達到符合標準安裝尺寸的功效??蓪崿F多引腳化、縮小封裝產品面積、改善電性能及散熱性、實現高密度化等是它的突出優點。因此以BGA、CSP以及倒裝芯片(FC,FpilChpi)等形式的半導體封裝基板,在近年來的應用領域得到迅速擴大,廣為流行。

    基于在半導體封裝中充分運用高密度多層基板技術方面,以及降低封裝基板的制造成本方面(封裝基板成本以BGA為例約占40%~50%,在FC基板制造成本方面它約70%~80%)的需求,半導體封裝基板已成為一個國家、一個地區在發展微電子產業中的重要“武器”之一。

    從芯片支撐材料角度來看半導體封裝技術分類


    目前普遍使用的封裝技術有很多,可分為以下幾類:

    芯片的封裝種類太過繁雜,為了方便理解,我們將分類方式簡化,以封裝過程中使用的承載晶圓或芯片的耗材的不同來份額里,半導體封裝技術可以分為引線框封裝、裸芯片封裝/晶圓級封裝和嵌入式封裝三類。

    芯片封裝技術分類


    引線框架+封裝殼

    我們把使用傳統封裝殼的封裝技術和使用封裝基材的封裝技術歸為一類,總體稱為封裝中使用封裝殼的封裝技術。

    嵌入式封裝

    嵌入式芯片(Embedded Component Packaging EPC),封裝與大多數封裝類型并不相同。一般來說,在許多集成電路封裝中,器件位于基板的頂部,基板充當器件與封裝板間“橋梁”的角色。

    裸芯片封(組)裝裝技術/晶圓級封裝(WLP)

    二級封裝是印刷電路板的封裝和裝配,將一級封裝的元器件組裝到印刷電路板(PCB)上,包括板上封裝單元和器件的互連,包括阻抗的控制、連線的精細程度和低介電常數材料的應用。除了特別要求外,這一級封裝一般不單獨加封裝體,具體產品如計算機的顯卡,PCI數據采集卡等都屬于這一級封裝。如果這一級封裝能實現某些完整的功能,需要將其安裝在同一的殼體中,例如Ni公司的USB數據采集卡,創新的外置USB聲卡等。

    引線框架封裝(LeadframePackages)

    傳統的IC封裝是采用導線框架作為IC導通線路與支撐IC的載具,它連接引腳于導線框架的兩旁或四周。隨著IC封裝技術的發展,引腳數量的增多(超過300以上個引腳)、、線密度的增大、基板層數的增多,使得傳統的QFP等封裝形式在其發展上有所限制。

    我們把使用傳統引線框架和封裝管殼的封裝技術稱為引線框架式封裝技,多用于如方形扁平無引腳封裝(QFN)和方型扁平式封裝(QFP)。

    封裝管殼內部結構示意圖

    引線框架封裝工藝

    使用引線框架和外部封裝管殼的芯片封裝制作工藝十分相似?;玖鞒虨椋菏紫仁褂贸溷y環氧粘結劑將晶圓切片粘附于引線框架上,然后使用金屬線將晶圓切片的管腳與引線框架上相應的管腳連接,再將引線框架與封裝殼組合在一起,后使用模塑包封或者液態膠灌封,以保護晶圓切片、連接線和管腳不受外部因素的影響。

    引線框架主要性能

    半導體封裝引線框架大多采用銅材或鐵鎳合金(A42)兩種材質,在封裝中,引線框架主要有如下作用:

    引線框架封裝中引線的功能


    良好的導電性能

    引線框架在塑封體中主要作用是芯片的功能通過引線與框架上的外引腳連接,集成電路芯片還常用引線將芯片的地線連接到框架的底座上,所以,要求引線框架有良好的導電性。

    良好的導熱性

    產品在使用時,芯片會產生熱量,特別是大功率產品,工作電流較大,產生的熱量更大。熱量主要通過引線框架和塑封料向外散熱。如果散熱性能不好,則可能“燒壞”芯片。PN結一般設計溫度為150℃,溫度過高,可能在工作中造成PN結熱擊穿。大功率產品的引線框架個別還設計有專門的散熱片以提高引線框架的散熱能力。

    良好的熱膨脹匹配性

    在塑料封裝體中,引線框與芯片之間通過銀膠進行物理連接,還與塑封料直接接觸,在產品塑封、回流焊及使用中,受熱時各種材料均會膨脹,所以,要求各種材料間要有良好的熱膨脹匹配性。

    良好的結合強度

    引線框架與芯片通過銀膠連接,與塑封樹脂直接接觸。在生產過程及使用中不可避免的要受熱,各種材料間的熱膨脹雖然盡可能的匹配,但總會有熱應力存在。所以要求引線框架與各材料之間要有良好的結合強度。

    引線框架封裝(如SO、QFP、QFN)仍然是I/O小于200的半導體中常見的。模具通常采用金屬絲連接,封裝也很簡單,雖然使用倒裝芯片、多模和模/無源組合的變體也在批量生產中。

    陶瓷封裝在很大程度上可以被看作是遺留技術。雖然它們過去在IC上很常見,但現在幾乎只用于軍事和航空電子等高可靠性應用,不愿在封裝技術上做出改變。

    嵌入式封裝技術-基于基板的封裝


    嵌入式芯片(Embedded Component Packaging EPC),封裝與大多數封裝類型并不相同。一般來說,在許多集成電路封裝中,器件位于基板的頂部,基板充當器件與封裝板間“橋梁”的角色?!扒度胧椒庋b”一詞有著不同的含義,在嵌入式芯片封裝的世界中,指采用多步驟制造工藝將元器件嵌入到基板中。

    單芯片、多芯片、MEMS或無源元器件均可以并排式(side-by-side)方式嵌入到有機層壓基板(Organic Laminate Substrate)之中。這些元器件均通過鍍銅的通孔(via)連接起來??偠灾?,通過嵌入式封裝,就可以釋放系統中的空間。在TDK的工藝中,器件被嵌入四個極薄的基板疊層中,以微互連和通孔為主要特點,總高度為300μm。

    封裝尺寸是將有源芯片嵌入基板中的驅動因素。在‘x’和‘y’軸上,會顯著地整體收縮。當考慮版圖布線更大化時,這種微型化可讓設計多一些靈活性。如今嵌入式有源元器件的市場,主要圍繞著功率模擬器件領域。藍牙無線模塊(Bluetooth WiFi modules)的微型化特點,已成為嵌入式芯片封裝的主要應用領域。其他應用還包括手機市場的射頻模塊。

    嵌入式封裝的優劣勢


    通常情況下,IC會被封裝在電路板上,但這樣有時會占用系統中寶貴的電路板空間,因此考慮把芯片嵌入到基板中以節省空間和成本,這就是嵌入式芯片封裝的用武之地,并不會與晶圓級封裝中的扇出型封裝相混淆。

    扇出型封裝中,裸片會被嵌入到環氧模壓樹脂(molded epoxy compound)填充的重新建構晶圓(reconstituted wafer)中。嵌入式芯片封裝是不同的。這些元器件被嵌入到多層基板中,IC會被嵌入基板的核心部位。核心部位是用特殊的樹脂做的,其他基板層均是標準的PCB材料。裸片通常是并排放置的,如果是標準的4層基板,所有裸片都會被放置于2層與3層之間,且裸片不會堆疊。

    嵌入式封裝的主要優點有:促進尺寸微型化、互連可靠、性能更高,并改善了對集成元器件的保護。ECP還支持模塊化的趨勢,通過降低其他封裝技術的成本來實現。隱身的電子器件(嵌入式芯片)可有效防止逆向工程和造假。

    嵌入式封裝也有缺點。由于它結合了用于先進封裝和印刷電路板(PCB)的技術,因此面臨一些制造方面的挑戰。此外,生態系統還相對不成熟。嵌入式芯片的成本仍然過高,且有時良率太低。

    嵌入式封裝是將多個芯片集成到單個封裝體中的幾種方法之一,但并不是唯一選擇。系統級封裝是受歡迎的選擇,但由于成本原因,扇出型封裝也有很大的發展潛力。正是這些封裝解決方案為市場提供價格更低、技術更好的解決方案。

    嵌入式封裝分類


    基板從材料上可分為有機基板和無機基板兩大類;從結構上可分為單層(包括撓性帶基)、雙層、多層、復合基板等。多層基板包括通用制品(玻璃-環氧樹脂)、積層多層基板、陶瓷多層基板、每層都有埋孔的多層基板。

    按基板類型的嵌入式封裝分類


    陶瓷基板

    陶瓷基板是基于氧化鋁、氮化鋁和其他材料制成?;谔沾苫宓姆庋b通常用于表面貼裝器件(surface-mount devices)、CMOS圖像傳感器和多芯片模塊(Multi-chip Module)。

    有機層壓基板

    有機層壓基板通常用于2.5D/3D、倒裝芯片和系統級封裝(SiP)中,這類封裝的器件位于基板之上。有機基板的材料通常是FR-4或其他材料。FR-4是一種由環氧樹脂組成的玻璃纖維布。這些基板使用類似或相同的材料作為PCB。所以在某些圈子里,有機基板有時就被稱為PCB。有機基板也是多層技術,其中至少有兩層有機層被金屬層隔開。金屬層在封裝中充當電遷移阻擋層(electromigration shield)。


    有機基板封裝(BGA,CSP)使用小型剛性(有時彎曲)基板,其上的模具是金屬絲粘結或倒裝芯片。大多數這樣的封裝使用一組球或地與主機PCB接口。一個允許這些包容納多達4000個外加I/O!

    裸芯片封裝/晶圓級封裝(WLP)


    裸芯片封裝和晶圓級封裝技術:

    覆晶(倒裝)技術FC

    覆晶技術是一種裸芯片組裝技術,TFT-LCD驅動芯片常用的COF封裝可以認為是典型的覆晶案例。在傳統微電子組裝技術中,芯片一般使用外部封裝殼,芯片通過線焊方式與封裝殼連接,芯片一般以晶背朝下,管腳朝上的方式放置。將封裝殼與PCB板焊接后,這一放置方式延續不變,即芯片的晶背靠近PCB板。但是,在覆晶技術中芯片不需要與外部封裝殼進行線焊,轉而使用焊接方式將芯片與封裝殼或PCB板相連,所以芯片的晶背朝上,管腳朝向PCB板,因此與傳統方式中芯片的放置方式相反,故被稱為覆晶,也稱為倒裝。

    基板芯片連接技術COB

    基板芯片連接技術(Chip on Board,COB)是一種常用的裸芯片組裝形式。在實際應用案例中,COB形式大量出現于芯片早期試驗階段及低端產品中。由于某些芯片功能較單一,所需的輸入輸出管腳數較少,使用COB方式可以節省封裝成本,典型的例子應屬手機SIM卡。

    COB制作時一般先將晶圓切片粘貼在目標板表面,然后采用Wire bonding的方式將晶圓切片的管腳與目標板上相應的管腳連接。制做完成后將芯片、金屬連接線、目標板上的管腳均用液態膠覆蓋,用以隔離外界污染和保護線路。由于COB方式直接將晶圓切片組裝在PCB板上,使得采用該種方式的PCB板損壞后不可維修,且COB方式組裝工序較多,使用較為不便?;谏鲜鲈?,裸芯片組裝技術在應用中多以覆晶技術為主。

    COF/COG

    在塑料封裝體中,引線框與芯片之間通過銀膠進行物理連接,還與塑封料直接接觸,在產品塑封、回流焊及使用中,受熱時各種材料均會膨脹,所以,要求各種材料間要有良好的熱膨脹匹配性。

    晶圓級封裝技術WLP

    晶圓級封裝是裸芯片封裝的主要技術之一,主要涉及扇入型(fan-in)和扇出型(fan-out)兩種封裝類型。WLP封裝時裸片還在晶圓上。一般來說,WLP是一種無基板封裝。WLP利用由布線層(routing layers)或重新布線層(RDL)構成的薄膜來代替基板,該薄膜在封裝中提供電氣連接。RDL不會直接與電路板連接。相反,WLP會在封裝體底部使用錫球,從而將RDL連接到電路板。

    裸芯片封裝/組裝


    目前伴隨芯片功能的提升,芯片的工作頻率大幅增加。從MHz到GHz,芯片的工作頻率有了質的飛躍。芯片對外圍電路的要求也越嚴苛。微秒,納秒級的延遲都會使數據傳輸出現嚴重錯誤。如何消除信號在外部電路傳輸時的延遲效應是設計人員不能回避的問題。

    在傳統封裝中晶圓切片與封裝殼的連接方式會引入新的負面因素—Wire bonding金屬線和封裝殼引腳,過長的信號線會使信號傳輸時受寄生RC的影響出現延遲,同時也易受到干擾。而使用裸芯片技術減少了芯片傳輸線的長度,從而使芯片信號的延遲大大減少。裸芯片技術在減小封裝體體積的同時,還將大大提高信號傳輸品質,這也是與其他封裝技術相比裸芯片封裝技術的重要優勢。但是,裸芯片技術由于在封裝中沒有封裝殼的保護,芯片晶背暴露在外,存在被損壞的風險。所以裸芯片雖然能在絕大多數應用領域取代傳統封裝形式的芯片,但是絕對不能百分之百點對點可代替?,F有的芯片封裝技術在面對封裝尺寸進一步縮小,封裝成本進一步下降的需求時,有些力不從心。在現有封裝技術中晶圓切片的實際尺寸已經很小,制約封裝尺寸縮小的因素是封裝方式本身(即便是使用CSP封裝,封裝比為1.14,仍然有14%的空間被浪費)。而適時引入裸芯片技術則可很好的解決上述問題。

    若將裸芯片組裝于新的封裝基材上,則稱為裸芯片封裝,若將裸芯片直接組裝在PCB板上,則稱為裸芯片組裝。裸芯片封裝/組裝是指在芯片與目標板(封裝基板或PCB板)的連接過程中,裸芯片為原始的晶圓切片形式,芯片沒有經過預先的封裝而直接與目標板連接。

    引入裸芯片封裝,可以減少由封裝殼產生的額外的體積,將標準的半導體封裝芯片直接更換成無封裝的裸芯片,可使研發人員直接獲得該芯片理論上的小尺寸,從而提高PCB板布線空間的利用率。如圖中所示,18M的同步SRAM在使用不同的封裝形式時,至少可以節省70%的空間。

    裸芯片封裝是一個獨特的類別,包括COB(主板芯片:直接連接到主PCB上的芯片線編解碼器)和COF/COG(Flex或玻璃上的芯片),后者是將芯片直接翻轉到顯示器的玻璃或彎曲電路上。

    晶圓級封裝(WLP)


    晶圓級封裝(WLP)就是在封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓(大圓片)進行操作,對晶圓級封裝(WLP)的需求不僅受到更小封裝尺寸和高度的要求,還必須滿足簡化供應鏈和降低總體成本,并提高整體性能的要求。

    封裝基板的定義、種類及生產工藝


    封裝基板的定義


    封裝基板(Package Substrate)是由電子線路載體(基板材料)與銅質電氣互連結構(如電子線路、導通孔等)組成,其中電氣互連結構的品質直接影響集成電路信號傳輸的穩定性和可靠性,決定電子產品設計功能的正常發揮。封裝基板屬于特種印制電路板,是將較高精密度的芯片或者器件與較低精密度的印制電路板連接在一起的基本部件。

    封裝基板的作用


    20世紀初期,“印制電路”的概念被Paul Eisler首次提出,并研制出世界上第一塊印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)。集成電路封裝基板是隨著半導體芯片的出現而從印制電路板家族中分離出來的一種特種印制電路板,其主要功能是構建芯片中集成電路與外部電子線路之間的電氣互連通道。

    集成電路封裝基板在電子封裝工程中的作用


    封裝基板作為載體結構起到保護芯片中半導體元器件的作用;實現芯片中集成電路功能模塊電子線路與外部功能元器件之間的電氣連接;為芯片功能組件提供支撐體與散熱通道;為其他電子元器件搭載提供組裝平臺。此外,封裝基板可實現集成電路多引腳化、封裝產品體積縮小、電性能及散熱性改善、超高密度或多芯片模塊化等目的。

    封裝基板發展的三個階段


    當前封裝基板可以簡單的理解為是具有更高性能或特種功能的PCB,是可為芯片、電子元器件等提供電氣連接、保護、支撐、散熱、組裝等功效,以實現多引腳化,縮小封裝產品體積、改善電氣性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化以及高可靠性的電子基板。

    到目前為止,世界半導體封裝基板業歷程可劃分為三個發展階段:

    封裝基板的發展歷史


    1989-1999

    第一發展階段:是有機樹脂封裝基板初期發展的階段,此階段以日本搶先占領了世界半導體封裝基板絕大多數市場為特點;

    2000-2003

    第二發展階段:是封裝基板快速發展的階段,此階段中,我國臺灣、韓國封裝基板業開始興起,與日本逐漸形成"三足鼎立"瓜分世界封裝基板絕大多數市場的局面。同時有機封裝基板獲得更加大的普及應用,它的生產成本有相當大的下降;

    2004年以后

    第三發展階段:此階段以FC封裝基板高速發展為鮮明特點,更高技術水平的MCP(多芯片封裝)和SiP(系統封裝)用CSP封裝基板得到較大發展。世界整個半導體封裝基板市場格局有較大的轉變,中國臺灣、韓國占居了PBGA封裝基板的大部分市場。而倒裝芯片安裝的BGA、PGA型封裝基板的一半多市場,仍是日本企業的天下。

    封裝基板(IC載板)與PCB的異同


    電子封裝工程中封裝、實裝、安裝及裝聯的區別:

    封裝

    封裝是指構成“體”的過程(packaging)。即通過封裝(如將可塑性絕緣介質經模注、灌封、壓入、下充填等),使芯片、封裝基板、電極引線等封為一體,構成三維的封裝體,起到密封、傳熱、應力緩和及保護等作用。此即狹義的封裝。封裝技術就是指從點、線、面到構成“體或塊”的全部過程及工藝。

    實裝

    實裝此詞來自日文,此處借用?!皦K”搭載在“板”上稱為實裝,裸芯片實裝在模塊基板(BGA基板、TAB基板、MCM基板)上可分別構成BGA、TAB、MCM封裝體,稱其為一級封裝(或微組裝);DIP、PGA等采用引腳插入方式實裝在PCB上;QFP、BGA、CSP、TBA等采用表面貼裝方式實裝在PCB之上,稱其為二級封裝;裸芯片也可以直接實裝在PCB上,如COB、COF等,在此一級封裝、二級封裝合二為一。

    即實裝專指上述的“塊”搭載在基板上的連接過程及工藝,涵蓋常用的插入、插裝、表面貼裝(SMT)、安裝、微組裝等。模塊:與下面將要涉及的“板”可以看成是多維體。帶有引線端子的封裝體即為“塊”,進行裸芯片安裝的芯片也可以看成塊。

    安裝

    板是搭載有半導體集成電路元件,L、C、R等分立器件,變壓器以及其他部件的電子基板即為“板”。安裝即將板(主板或副板)通過插入、機械固定等方式,完成常規印制電路板承載、連接各功能電子部件,以構成電子系統的過程稱為安裝。

    裝聯

    裝聯將上述系統裝載在載板(或架)之上,完成單元內(板或卡內)布線、架內(單元間)布線以及相互間的連接稱為裝聯。

    封裝基板與PCB的區別


    封裝基板是可為芯片、電子元器件等提供電氣連接、保護、支撐、散熱、組裝等功效,以實現多引腳化,縮小封裝產品體積、改善電氣性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化以及高可靠性的電子基板。

    封裝基板可以簡單的理解為是具有更高性能或特種功能的PCB或薄厚膜電路基板。封裝基板起到了芯片與常規印制電路板(多為母板、副板,背板等)的不同線路之間的電氣互聯及過渡作用,同時也為芯片提供保護、支撐、散熱、組裝等功效。

    PWB和PCB

    PWB(printed wiring board,印制線路板):泛指表面和內部布置有導體圖形的絕緣基板。PWB本身是半成品,作為搭載電子元器件的基板而起作用。通過導體布線,進行連接構成單元電子回路,發揮其電路功能。PCB(printed ciruid board,印制電路板)是指搭載了電子元器件的PWB的整個基板為印制電路板。在多數情況下,通常將PWB與PCB按同義詞處理而不加區分。實際上PWB和PCB在有些情況下是有區別的,例如,PCB有時特指在絕緣基板上采用單純印刷的方式,形成包括電子元器件在內的電路,可以自成一體;而PWB更強調搭載元器件的載體功能,或構成實裝電路,或構成印制電路板組件。通常簡稱二者為印制板。

    主板

    主板:又稱為母板。是在面積較大的PCB上安裝各種有源、無源電子元器件,并可與副板及其它器件可實現互聯互通的電子基板。通訊行業一般稱其為背板。

    載板

    載板:承載各類有源、無源電子器件、連接器、單元、子板及其它各式各樣的電子器件的印制電路板。如封裝載板、類載板、各種普通PCB及總裝板。

    類載板

    類載板(SubstrateLike-PCB,簡稱SLP):顧名思義是類似載板規格的PCB,它本是HDI板,但其規格已接近IC封裝用載板的等級了。類載板仍是PCB硬板的一種,只是在制程上更接近半導體規格,目前類載板要求的線寬/線距為≤30μm/30μm,無法采用減成法生產,需要使用MSAP(半加成法)制程技術,其將取代之前的HDIPCB技術。即將封裝基板和載板功能集于一身的基板材料。但制造工藝、原材料和設計方案(一片還是多片)都還沒有定論。類載板的催產者是蘋果新款手機,在2017年的iPhone8中,首度采用以接近IC制程生產的類似載板的HDI板,可讓手機尺寸更輕薄短小。類載板的基材也與IC封裝用載板相似,主要是BT樹脂的CCL與ABF*樹脂的積層介質膜。

    多層板:隨著LSI集成度的提高、傳輸信號的高速化及電子設備向輕薄短小方向的發展,僅靠單雙面導體布線已難以勝任,再者若將電源線、接地線與信號線在同一導體層中布置,會受到許多限制,從而大大降低布線的自由度。如果專設電源層、接地層和信號層,并布置在多層板的內層,不僅可以提高布線的自由度而且可防止信號干擾和電磁波輻射等。此要求進一步促進了基板多層化的發展,因此,PCB集電子封裝的關鍵技術于一身,起著越來越重要的作用??梢哉f,當代PCB是集各種現代化技術之大成者。

    HDI基板

    HDI基板:一般采用積層法(Build-up)制造,積層的次數越多,板件的技術檔次越高。普通的HDI板基本上是1次積層,高端HDI采用2次或以上的積層技術,同時采用疊孔、電鍍填孔、激光直接打孔等先進PCB技術。高端HDI板主要應用于4G手機、高級數碼攝像機、IC載板等。

    在電子封裝工程中,電子基板(PCB)可用于電子封裝的不同層級(主要用于1~3級封裝的第2~5層次),只是封裝基板用于1、2級封裝的2、3層次,普通PCB用于2、3級封裝的3、4、5層次。但是它們都是為電子元器件等提供互聯、保護、支撐、散熱、組裝等功效,以實現多引腳化,縮小封裝產品體積、改善電氣性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化以及高可靠性為目的。

    主板(母板)、副板及載板(類載板)常規PCB(多為母板、副板,背板等)主要用于2、3級封裝的3、4、5層次。其上搭載LSI、IC等封裝的有源器件、無源分立器件及電子部件,通過互聯構成單元電子回路發揮其電路功能。

    隨著電子安裝技術的不斷進步與發展,電子安裝各階層的界限越來越不清晰,各階層安裝的交叉、互融,此過程中PCB的作用越來越重要,對PCB及其基板材料在功能、性能上都提出了更高、更新的要求。

    封裝基板從PCB中分離獨立出來的歷程和原因


    20世紀80年代以后,新材料、新設備的廣泛應用,集成電路設計與制造技術按照“摩爾定律”飛速發展,微小敏感的半導體元件問世,大規模集成電路與超大規模集成電路設計出現,高密度多層封裝基板應運而生,使集成電路封裝基板從普通的印制電路板中分離出來,形成了專有的集成電路封裝基板制造技術。

    目前,在常規PCB板的主流產品中,線寬/線距50μm/50μm的產品屬于高端PCB產品了,但該技術仍然無法達到目前主流芯片封裝的技術要求。在封裝基板制造領域,線寬/線距在25μm/25μm的產品已經成為常規產品,這從側面反映出封裝基板制造與常規PCB制造比,其在技術更為先進。封裝基板從常規印制電路板中分離的根本原因有兩方面:一方面,由于PCB板的精細化發展速度低于芯片的精細化發展速度,導致芯片與PCB板之間的直接連接比較困難。另一方面,PCB板整體精細化提高的成本遠高于通過封裝基板來互連PCB和芯片的成本。

    封裝基板的主要結構和生產技術


    目前,在封裝基板行業還沒有形成統一的分類標準。通常根據適用基板制造的基板材料、制作技術等方面進行分類。根據基板材料的不同,可以將封裝基板分為無機封裝基板和有機封裝基板。無機封裝基板主要包括:陶瓷基封裝基板和玻璃基封裝基板。有機封裝基板主要包括:酚醛類封裝基板、聚酯類封裝基板和環氧樹脂類封裝基板等。根據封裝基板制作方法不同,可以將封裝基板分為有核(Core)封裝基板和新型無核(Coreless)封裝基板。

    有核和無核封裝基板


    有核封裝基板在結構上主要分為兩個部分,中間部分為芯板,上下部分為積層板。有核封裝基板制作技術是基于高密度互連(HDI)印制電路板制作技術及其改良技術。

    無核基板,也叫無芯基板,是指去除了芯板的封裝基板。新型無核封裝基板制作主要通過自下而上的電沉積技術制作出層間導電結構—銅柱。它僅使用絕緣層(Build-up Layer)和銅層通過半加成(SemiAdditive Process,縮寫為SAP)積層工藝實現高密度布線。

    無核封裝基板的優劣勢


    優勢

    • 薄型化;
    • 電傳輸路徑減小,交流阻抗進一步減小,而且其信號線路有效地避免了傳統有芯基板上的PTH(鍍銅通孔)產生的回波損耗,這就降低電源系統回路的電感,提高傳輸特性,尤其是頻率特性;
    • 可以實現信號的直接傳輸,因為所有的線路層都可以作為信號層,這樣可以提高布線的自由度,實現高密度配線,降低了C4布局的限制;
    • 除部分制程外,可以使用原來的生產設備,且工藝步驟減少。

    劣勢

    • 沒有芯板支撐,無芯基板制造中容易翹曲變形,這是目前普遍和大的問題;
    • 層壓板破碎易于發生;
    • 需要引進部分針對半導體封裝無芯基板的新設備。因此,半導體封裝無芯基板的挑戰主要在于材料與制程。

    封裝基板的結構


    封裝基板的主要功能是實現集成電路芯片外部電路、電子元器件之間的電氣互連。有核封裝基板可以分為芯板和外層線路,而有核封裝基板的互連結構主要包括埋孔、盲孔、通孔和線路。無核封裝基板的互連結構則主要包括銅柱和線路。無核封裝基板制作的技術特征主要是通過自下而上銅電沉積技術制作封裝基板中互連結構—銅柱、線路。相比于埋孔和盲孔,銅柱為實心銅金屬圓柱體結構,在電氣傳輸方面性能更加優良,銅柱的尺寸也遠低于盲孔的尺寸,直接在40μm左右。

    封裝基板的主流生產技術


    主要的積層精細線路制作方法


    半導體封裝基板層間互聯、積層精細線路制作方法是從高密度互聯/積層多層(High Density Interconnection/Build up Multilayer,HDI/BUM)衍生而來,HDI/BUM板制造工藝技術種類繁多,通過可生產性、可靠性和成本等各方面的優勝劣汰和市場選擇,目前比較成熟的工藝集中在3-5種。

    早期的集成電路封裝基板由于封裝芯片I/O數有限,其主流制作技術是印制電路板制造通用技術—蝕刻銅箔制造電子線路技術,屬于減成法。IC設計趨勢大致朝著高集成化、快速化、多功能化、低耗能化及高頻化發展,對應的半導體封裝基板呈現出“四高一低”的發展趨勢,即高密度布線、高速化和高頻化、高導通性、高絕緣可靠性、低成本性。

    在近年的電子線路互連結構制造領域,相比于蝕刻銅箔技術(減成法),半加成法主要采用精確度更高、綠色的電沉積銅技術制作電子電路互連結構。近十幾年來,在封裝基板或者說整個集成電路行業,互連結構主要是通過電沉積銅技術實現的,其原因在于金屬銅的高性能和低價格,避免了蝕刻銅流程對互連結構側面蝕刻,銅的消耗量減少,互連結構的精細度和完整性更好,故電沉積銅技術是封裝基板制作過程中極其重要的環節。

    積層圖形制作方法:

    HDI

    常規的HDI技術線路制作是靠減成法(蝕刻法)完成,改良型HDI技術主要是采用半加成法(電沉積銅技術)同時完成線路和微孔制作。

    減成法

    減成法(Subtractive),在敷銅板上,通過光化學法,網印圖形轉移或電鍍圖形抗蝕層,然后蝕刻掉非圖形部分的銅箔或采用機械方式去除不需要部分而制成印制電路PCB。

    加成法

    加成法(Additive),在絕緣基材表面上,有選擇性地沉積導電金屬而形成導電圖形的方法。

    半加成法

    半加成法(Semi-Additive Process,SAP),利用圖形電鍍增加精細線路的厚度,而未電鍍加厚非線路區域在差分蝕刻過程則快速全部蝕刻,剩下的部分保留下來形成線路。

    封裝基板制作技術-高密度互連(HDI)改良制作技術

    高密度互連(HDI)封裝基板制造技術是常規HDI印制電路板制造技術的延伸,其技術流程與常規HDI-PCB板基本相同,而二者的主要差異在于基板材料使用、蝕刻線路的精度要求等,該技術途徑是目前集成電路封裝基板制造的主流技術之一。由于受蝕刻技術的限制,HDI封裝基板制造技術在線路超精細化、介質層薄型化等方面遇到了挑戰,近年出現了改良型HDI封裝基板制造技術。

    根據有核封裝基板的結構,把HDI封裝基板制作技術流程主要分為兩個部分:一是芯層的制作;二是外層線路制作。改良型HDI封裝基板制造技術主要是針對外層線路制作技術的改良。

    封裝基板新型的制造技術--改良型半加成法

    基于磁控濺射種子層的電沉積互連結構是一條全新的封裝基板制造技術途徑,該制作技術被稱為改良型半加成法。此外,由于該技術途徑不像HDI技術需要制作芯板,因此被稱為無核封裝基板制作技術。

    無核封裝基板制作技術不需要蝕刻銅箔制作電子線路,突破了HDI途徑在超精細線路制作方面存在的技術瓶頸,成為高端封裝基板制造的首選技術。另外,該技術采用電沉積銅制作電氣互連結構,故互連結構的電沉積銅技術已經是無核封裝基板制作的核心技術之一。


    封裝材料和封裝基板市場

    封裝基材和基板市場及技術發展


    封裝技術應用的演進


    即使是古老的封裝技術今天仍然在使用。但是,通過從線鍵到倒裝芯片外圍設備再到陣列封裝、縮小I/O間距、更小的封裝體和多組件模塊,以實現更高密度封裝是明顯的趨勢。

    封裝基板在晶圓制造和封裝材料價值量占比大


    晶圓制造和封裝材料主要包括引線框架、模封材料(包封樹脂、底部填充料、液體密封劑)、粘晶材料、封裝基板(有機、陶瓷和金屬)、鍵合金屬線、焊球、電鍍液等。

    封裝基板行業景氣度的變化


    在大約2500億套集成電路封裝中,1900億套仍在使用銅線鍵合技術,但倒裝芯片的增長速度快了3倍。1500億套仍在使用鉛框架,但有機基質和WLCSP的增長速度快了三倍。只有約800億半導體封裝是基于有機基板,有機封裝基板市場大約80億美元,相當于整個PCB行業的13%。

    封裝基板行業景氣度的變化:

    2011-2016年的市場下行

    直到幾年前,封裝基板市場實際上處于景氣度下行的階段。自上世紀90年代以來,隨著有機封裝基板在更多I/O應用中取代鉛框架和陶瓷封裝,該市場持續增長,2011年達到約86億美元的峰值,并在2016年開始穩步下滑,2016年僅達到66億美元。這種下降的部分原因是由于個人電腦和移動電話市場進入了成熟期,停滯不前的出貨量和組件和集成封裝降低了對先進封裝包的需求。更重要的是向更小系統的全面推進,這需要從更大的線結合PBGA到更小的FCCSP的轉變。這減少了單位封裝基板使用的面積,而且這種轉變也要求每個基板具有更高的路阻密度,以允許更緊密的倒裝芯片互連。封裝基板的另一個重要的不利因素來自WLCSP的流行,尤其是在智能手機中。當較小的WLCSP取代引線框封裝時,較大的WLCSP(包括扇出式WLCSP)取代了引線鍵合和倒裝芯片CSP,從而消除了潛在的有機封裝基板。

    另一方面,由于供應商之間的競爭,導致封裝基板市場進一步受到沖擊,導致高于平均水平的價格下降。2011-2016年,封裝基板市場需求的減少是由于以下原因:降低了系統和半導體的增長減少臺式電腦和筆記本電腦的出貨量—個人電腦歷來占承印物市場的50%。2017年占27%。更小的基片和芯片組集成從更大的BGA包到更小的csp的趨勢——這是我們從筆記本到平板電腦的潛在趨勢。但在筆記本電腦、汽車、打印機、路由器、游戲、數字電視領域也出現了一種趨勢。

    2017年以來的企穩回升

    封裝基板市場在2017年趨于穩定,在2018年和2019年的增長速度明顯快于整個PCB市場,在未來五年仍然保持超過平均增長速度6.5%。封裝基板市場的好轉和持續增長主要是由用于高端GPU、CPU和高性能計算應用ASIC的先進FCBGA基板需求,以及用于射頻(如蜂窩前端模塊)和其他(如MEMS/電源)應用的SiP/模塊需求驅動的。內存封裝需求,盡管它們的影響更具周期性,例如用于DRAM的FCBOC封裝和用于Flash的WBCSP,也是封裝基板強勁需求的驅動因素。

    有機和陶瓷封裝基板是封裝基板中的主流


    在高密度封裝中,為了降低反射噪聲、串音噪聲以及接地噪聲,同時保證各層次間連接用插接端子及電纜的特性阻抗相匹配,需要開發高層數、高密度的多層布線基板。

    按基板的基體材料,基板可分為有機系(樹脂系)、無機系(陶瓷系、金屬系)及復合系三大類。一般來說,無機系基板材料具有較低的熱膨脹系數,以及較高的熱導率,但是具有相對較高的介電常數,因此具有較高的可靠性,但是不適于高頻率電路中使用;有機系基板材料熱膨脹率稍高,散熱較差,但是具有更低的介電常數,且質輕,便于加工,便于薄型化。同時由于近幾十年內聚合物材料的不斷發展,有機系基板材料的可靠性有極大提升,因此己經被廣泛應用。

    目前廣泛應用的有機基板材料有環氧樹脂,雙馬來醜亞胺三嘆樹脂(聚苯醚樹脂,以及聚醜亞胺樹脂等。

    2019年封裝材料市場規模在200億美金左右,封裝基板約占64%

    21世紀初,封裝基板已經成為封裝材料細分領域銷售占比大的原材料,占封裝材料比重超過50%,全球市場規模接近百億美金。根據SEMI的統計數據,2016年有機基板以及陶瓷封裝體合計市場規模達104.5億美元,合計占比53.3%。引線框架的市場規模為34.6億美元,占比17.6%,封裝承載材料(包括封裝基板和引線框架)合計市場規模約為140億美元,占封裝材料的比重達70%。而傳統引線框架在其自身性能和體積的局限性,以及各種新型高端技術發展替代的趨勢下,占比在17%左右波動,且隨著對密度要求的提高,預計未來會逐漸減小。

    根據SEMI數據,2017年全球封裝材料市場為191億美金,其中層壓基板、引線框架、鍵合金屬線、塑封料四大主要材料的占比分別為32.46%、16.75%、16.23%和6.81%,主要是SEMI統計口徑發生變化。2000年到2011年之間全球封裝材料的銷售額是逐步增加的,而2011年至2017年封裝材料的絕對銷售額則出現平緩下降的態勢,在190億到200億美金之間波動。

    封裝基板主流產品市場


    全球地區分布


    有機封裝基板市場一直很小,直到1997年英特爾開始從陶瓷基板向有機基板過渡,在基板封裝的基板價值可以占封裝總價值(不包括模具)的15%至35%。

    目前,世界上半導體封裝基板生產主要在亞洲、美國及歐洲。從產值上看,封裝基板的生產地區主要是日本、韓國、中國臺灣和中國大陸。2019年封裝基板的市場價值為81億美元,預計未來五年將以每年近6.5%的速度增長。其中,亞洲(主要以韓國和中國臺灣為主)的占有率接近61%,日本約為26%,中國大陸13%左右,而美國、歐洲及世界其它地區占有比例則相當小。

    全球載板主要制造地及主要制造商現狀


    根據2019年Prismark的統計數據,目前全球載板的市場容量約為81億美元,量產公司近30家。從生產地來看,全球載板主要在韓國、中國臺灣、日本和中國大陸四個地區生產(99%)。近年來中國大陸量產廠商數量增長明顯,但產值仍較??;

    2019年全球前十五大載板公司如下表所示。從表中可以看出,載板公司基本上都是PCB產品多元化,即非從事單一的載板業務,唯一例外的是日月光材料(僅從事BGA載板制造),主要是由于該公司的母公司從事的是封測代工服務。

    起初,日本供應商主導封裝基板供應鏈。目前日本仍以超過50%的份額主導著高端FCBGA/PGA/LGA市場,我們認為未來五年內這種情況不會有實質性變化。在所有其他封裝基板類別中,中國臺灣/中國大陸和韓國的供應商占據市場主導地位。

    日本

    長期以來,日本代表著全球高端PCB(特別載板)的制造水平和引導著全球PCB的發展方向,但近年來,由于其市場策略、價格水平,削弱了其競爭力。當前日本主要的載板制造商有Ibiden、Shinko、Kyocera、Daisho、MGC-JCI(逐步退出)、Eastern(已被韓國的Simmtech收購)等。

    日本主要封裝基板廠商:

    揖斐電Ibiden

    揖斐電成立于1912年,開始從事的是碳化物的生產和銷售,后逐步擴大業務,進入了電化學、住宅建材、陶瓷、電子等領域?,F有員工14290名。PCB產品包括HDI、BGA和FCBGA,FCBGA技術一直稱冠全球。目前揖斐電在日本、菲律賓、馬來西亞、中國內地共有7個生產基地,具體為:日本岐阜縣大垣市4個:大垣廠(FCBGA)、大垣中央廠(FCBGA)、青柳廠(HDI)、河間廠(FCBGA),菲律賓廠(FCBGA)、馬來西亞檳榔嶼廠(HDI),北京廠(HDI)。

    新光電氣Shinko

    新光電氣成立于1946年9月,現有員工4838名,歸屬于富士通集團,富士通占新光電氣50%的股份。主要產品包括:載板(BGA和FCBGA)、引線框架、封測、電子元器件等。2018年4月,公司決定投資1.9億美元新建載板產線擴充產能20%。2017財年,它的載板及封裝營收額為849.23億日元(約7.4億美元,其中載板約5.6億)。

    京瓷Kyocera

    京瓷成立于1959年4月,是全球領先的電子零部件(包括汽車等工業、半導體、電子元器件等)、設備及系統制造公司(信息通信、辦公文檔解決、生活與環保等),京瓷集團有265家公司,員工人數75940名。2017財年,整個集團的營收額為15770.39億日元(約137億美元)。京瓷的PCB,包括有機載板(BGA、FCBGA)、HDI、高層數板、陶瓷基板等。2017財年,它的PCB營收額約6.6億美元,其中載板約3億。

    中國臺灣主要封裝基板廠

    2006年中國臺灣第一次PCB產值超過日本,居全球第一;之后在規模上,一直領跑全球的PCB產業。當前,中國臺灣主要的載板制造商有Unimicron、Nanya PCB、Kinsus、ASE Material、Boardtek先豐、Subtron旭德(欣興持股30%)、ZDT臻鼎(制造在秦皇島)、PPt恒勁(C2iM)等。

    欣興Unimicron

    欣興成立于1990年,聯電為大股東,2001年合并群策電子、恒業電子,2002年合并鼎鑫電子,2009年合并全懋,2011年收購德國Ruwel100%的股權和日本Clover75%的股權。產品包括PCB(其中,多層板占15%、FPC占5%、HDI占35%、載板占45%)、連接器等。

    目前欣興在全球共在4個國家/地區建有13個工廠,其中臺灣6個(合江廠、合江二廠生產HDI和背板,蘆竹二廠、蘆竹三廠生產HDI,山鶯廠生產HDI、BGA和FCBGA,新豐廠生產BGA和FCBGA),中國內地5個(昆山欣興同泰生產FPC及組裝,昆山鼎鑫生產多層板和HDI,深圳聯能生產HDI和背板,蘇州群策生產BGA、黃石欣益興生產多層板和HDI),日本北海道的Clover生產多層板和HDI,德國Geldern的RUWEL生產多層板和HDI。

    2017財年,它的營收額為649.92億元新臺幣(約22.4億美元,其中載板約9.9億,產值位列全球第一);在整個載板中,FCBGA占營收的53%,FCCSP占17%,一般BGA占29%。

    南亞Nanya

    南亞電路板原為臺塑集團旗下南亞塑料的PCB事業部(始于1985年),于1997年10月獨立。它的PCB產品主要包括BGA、FCBGA、HDI和多層板。它在臺灣、昆山建有PCB工廠,其中,臺灣工廠主要從事中高端BGA、FCBGA的生產(桃園蘆竹一、二、五、六、七廠、新北市樹林八廠),昆山工廠(一、二廠)主要從事多層板、HDI和中低端BGA的生產。2010年以前,南亞主要承接來自日本NGK前段的英特爾訂單(南亞負責前段制程生產、NGK負責后段),NGK自2010年3月底起停止供貨給英特爾后,南亞直接承接英特爾訂單(于2010年6月底通過英特爾的全制程認證)。南亞電路板現有員工12072人。2017財年,它的營收額為266.23億元新臺幣(約9.0億美元,其中載板約5.9億)。其中,FCBGA約42%,BGA約24%,HDI及其他約34%。

    景碩Kinsus

    景碩成立于2000年9月,為華碩投資。它的PCB產品主要包括BGA、FCBGA、HDI、FPC和多層板(其中載板占營收的80%以上)。它在臺灣、蘇州建有工廠,其中,臺灣工廠主要從事中高端BGA、FCBGA等的生產(石磊廠BGA,清華廠FCBGA、BGA,楊梅廠FPC,新豐廠FCBGA、BGA),蘇州工廠主要從事多層板、HDI和中低端BGA的生產。2017財年,它的營收額為223.35億元新臺幣(約7.5億美元,其中載板約6.2億)。

    日月光材料ASE Material

    ASEMaterial(或稱作ASEE,日月光電子)為全球大的半導體封測商日月光集團旗下載板制造公司,它在臺灣高雄、上海、昆山建有工廠,主要產品為BGA載板,包括BOC、FBGA、PBGA、MemoryCard、FCCSP等。2017財年,它的載板營收額約2.9億美元。2018年3月,日月光與TDK合資15億元新臺幣(約0.5億美元)在臺灣高雄正式成立日月旸電子股份有限公司(ASE Embedded Electronics);將來日月旸電子將采用TDK授權的SESUB(Semiconductor Embedded in SUBstrate)技術制造埋入式載板。

    韓國主要封裝基板廠商:

    韓國的載板公司數量較多,這主要歸功于近年來韓國快速發展的半導體以及消費電子產業,但單個PCB公司的規模較小。當前,韓國主要的載板制造商有SEMCO、Simmtech、Daeduck、LGInnotek、KCC(Young Poong旗下)、Cosmotech、HDS等。

    SEMCO三星電機

    三星電機成立于1973年,屬三星集團,是全球排名前列的的電子元器件制造公司。主要業務包括PCB、積層陶瓷電容、攝像頭模組、WiFi模組等。其PCB產品包括HDI、剛-撓性結合板、BGA和FCBGA,公司自2015年起全力開發PLP封裝技術。目前共有5個工廠:韓國釜山廠生產HDI,剛-撓性結合板和FCBGA,韓國世宗廠生產BGA,韓國天安廠生產PLP,中國昆山廠生產HDI,越南廠生產HDI和剛-撓性結合板。2017財年,它的PCB營收額為14694億韓幣(約13.5億美元,其中載板約6.6億)。

    Simmtech信泰

    信泰成立于1987年,它的產品主要包括HDI和BGA載板。它在韓國清州、日本茅野、中國西安建有PCB工廠(韓國:HDI和BGA,日本:BGA(原Eastern工廠),西安:HDI)。2017財年它的營收額為8116億韓幣(約7.5億美元,其中載板約5億)。

    Daeduck大德

    大德成立于1965年1月,是韓國早的PCB制造企業。旗下有兩家PCB公司:Daeduck GDS和Daeduck,Daeduck GDS的產品主要包括多層板、FPC和HDI,Daeduck的產品包括高層板、HDI和載板(BGA)。它在韓國、菲律賓和中國天津建有PCB工廠。2017財年兩家PCB公司的營收額合計為9686億韓幣(約8.9億美元),其中載板約3.1億。

    中國大陸主要封裝基板廠商:

    中國大陸的載板起步較晚,第一家實現量產BGA載板的公司于2002年正式投產,為當時屬港資美維科技集團的上海美維科技公司(后被美資TTM收購);第一家實現量產FCBGA載板的公司則于2016年2月正式投產,為屬奧地利的奧特斯科技(重慶)有限公司。


    臺企中國大陸分公司 臺資 BGA

    昆山南亞、蘇州欣興、蘇州景碩、秦皇島臻鼎。

    上海美維科技 美資 BGA

    上海美維科技有限公司成立于1999年08月25日,注冊地位于上海市。經營范圍包括研究、設計、生產新型片式電子元器件,包括高密度互連(HDI)印刷板,晶片基板以及相關測試儀器,銷售自產產品并提供相關技術服務。主要生產HDI板,PBGA、FPBGA、CSP載板、SiP載板和MCM載板等,封裝基板。產品廣泛應用于數碼、集成電路、儲存卡、DDR和汽車、藍牙組件等領域。

    美龍翔 港資 BGA

    美龍翔微電子科技(深圳)有限公司(英文名:Substrate Technologies (ShenZhen) Limited)創建于1999年底,原由香港微電子封裝科技有限公司和美國STI公司共同主辦的企業,2003年4月,成為香港微電子封裝科技有限公司的全資子公司。首期投資總額將近1900萬美元,是國內首家專業從事微電子封裝材料(基板)的研究、開發、生產和銷售的高科技企業公司。公司的主要產品定位于高速、高性能IC的封裝產品,廣泛應用于高檔嵌入式微處理器芯片、高速通訊及網絡處理芯片、高速圖像處理芯片、高速存儲芯片等領域。產品種類包括:散熱增強型BGA封裝基板(EBGA substrate),倒置芯片BGA封裝基板(FlipChip BGA)。

    安捷利電子 港資 BGA

    公司是一家專業從事柔性電路板(簡稱FPC)設計、制造、銷售、電子元器件采購及銷售及薄膜覆晶組件封裝的香港上市公司,產品廣泛銷往日本、韓國、美國、歐洲及大中華地區。公司在中國設立了廣州工廠和蘇州工廠,同時分別在中國華南、華東等地設立銷售辦事處,并在韓國、美國和歐洲設立銷售公司和銷售代理,為客戶提供快捷周到的本地化服務。

    2020年1月20日,買方安捷利美維電子(廈門)有限責任公司(為公司間接持有6%股權的合資公司)與賣方(迅達科技中國有限公司)及賣方的終控股股東迅達科技公司訂立股權購買協議,買方向賣方收購目標公司的全部股權,代價為5.50億美元。目標公司為廣州美維電子有限公司、上海美維電子有限公司、上海美維科技有限公司及上海凱思爾電子有限公司。

    深南電路 國企 DM/RFM/FCCSP

    公司成立于1984年,專注于電子互聯領域,致力于“打造世界級電子電路技術與解決方案的集成商”,擁有印制電路板、封裝基板及電子裝聯三項業務,形成了業界獨特的“3-In-One”業務布局。

    廣州興森快捷  民企 FCCSP/PBGA/SiP

    公司的主營業務繼續圍繞PCB業務、軍品業務、半導體業務三大業務主線開展,其中PCB業務包含樣板快件、小批量板的設計、研發、生產、銷售以及表面貼裝;軍品業務包含PCB快件樣板和高可靠性、高安全性軍用固態硬盤、大容量存儲陣列以及特種軍用固態存儲載荷的設計、研發、生產和銷售;半導體業務產品包含IC封裝基板和半導體測試板。

    珠海越亞 民企 FCCSP/FCBGA

    公司成立于2006年,早由中、以兩國企業合資組建,專注于高端有機無芯封裝基板的發明專利的產業化。經過不斷的創新與發展,公司成為世界上首家采用“銅柱法”生產高密度無芯封裝基板并實現量產的創新型企業。2012年7月31日正式由珠海越亞封裝基板技術有限公司更名為珠海越亞封裝基板技術股份有限公司。

    丹邦科技 民企 COF柔性封裝基板

    公司自成立以來專注于FPC、COF柔性封裝基板及COF產品的研發、生產與銷售,致力于在微電子領域為客戶提供全面的柔性互連解決方案及基于柔性基板技術的芯片封裝方案。公司是全球極少數有完整產業鏈布局的廠商,是國內極少數不依賴進口封裝基材,而通過自產封裝基材批量制造COF柔性封裝基板的廠商。

    東莞康源電子 民企 DM

    康源電子始建于1977年,總部位于香港。1993年在虎門建廠投產,2008年轉型為外商獨資,現已成為一個擁有10萬平方廠房、2000名智慧員工的專業印刷電路板制造商。公司專注于高端PCB和FPC產品的工藝研發、產品制造和銷售,主要產品包括高密度互連積層板、多層撓性板、剛撓性印刷電路板、封裝載板、HDI和高新科技領域電路板,廣泛應用于通訊、汽車、消費、工業、醫療等領域,客戶遍布北美、歐洲、中國及亞太等地區。

    普諾威電子 民企 DM

    本公司專注于傳感器、物聯網、可穿戴設備、通訊、金融硬件、計算機及其他電子產品行業的印制電路板的制造與銷售,本公司為主要集中在傳感器、物聯網、可穿戴設備、通訊、汽車類、金融硬件、計算機及其他電子產品生產企業提供技術含量較高的印制電路板。主要產品包括MEMS系列印制電路板、內埋器件系列印制電路板、貼片式麥克風印制電路板、精細線路印制電路板、光模組、常規印制電路板。

    重慶奧特斯 奧地利 FCBGA

    奧地利AT&S集團在中國擁有五個奧特斯集團生產工廠(萊奧本-Hinterberg(Leoben-Hinterberg),奧地利費靈(Fehring),韓國安山(Ansan),印度加古德(Nanjangud),中國(上海),中國(重慶)。奧特斯科技(重慶)有限公司于2011年注冊成立,是奧特斯集團在中國設立的第二家獨資企業。自2008年起,奧特斯上海工廠是全球大的高科技HDI印制電路板制造基地。重慶項目于2011年3月啟動,分三期進行建設,一期項目產品為全球領先的半導體封裝載板。

    目前,中國內地實現量產的BGA公司有昆山南亞、蘇州欣興、蘇州景碩、秦皇島臻鼎等臺資,上海美維科技等美資,美龍翔、安捷利電子等港資,興森快捷、深南電路、越亞、丹邦、東莞康源電子、普諾威電子等內資;實現量產的FCBGA公司則有重慶奧特斯1家。

    目前僅深南電路、興森科技、丹邦科技、珠海越亞具備封裝基板生產技術,2019年5月,崇達技術收購普諾威35%股權,進軍IC載板。

    美國和歐洲:

    在美國,目前僅剩HoneywelACI公司有實力以激光鉆孔技術制造積層法多層板。未來美國將會朝著適于高檔次半導體封裝基板工藝的相關設備研制、開發的方向努力。歐洲地區目前有能力以激光鉆孔技術生產積層法多層板的廠商有:AT&S(澳地利)、Aspoeomp(芬蘭)、PPE等三家公司。

    主流封裝基板產品分類


    1.按基材材質分類

    封裝基板按基材材質可分為剛性有機封裝基板、撓性封裝基板和陶瓷封裝基板。

    PCB產品按基材柔軟性分類

    剛性有機封裝基板
    一般工藝(單面、雙面、多層板)和積層法的多層板,多用于BGA封裝產品中,占三類產品生產總量85%-88%。
    剛性CSP/PBGA/FC-PGA/FC-PBGA/Cavity PBGA

    撓性封裝基板
    以聚酰亞胺薄膜為基膜的基材,如BGA、D2BGA、T-BGA、T-CSP.μCSP等,增長快。
    FilmCSP/Tape-BGA

    陶瓷封裝基板
    陶瓷封裝基板:氧化鋁基板、氮化鋁基板、低溫共燒陶瓷多層基板。
    CeramicPGA/BGA/CSP

    2.按制造工藝分類

    封裝基板按照制造工藝可分為剛性基板(含陶瓷基板)、撓性基板、積層法多層基板(BUM)。

    3.按性能分類

    封裝基板按照性能可分為:低膨脹系數(a)封裝基板、高玻璃化溫度(Tg)封裝基板、高彈性率封裝基板、高散熱性封裝基板、埋入元件型封裝基板。

    4.按應用領域分類

    根據封裝基板不同的用途,可將封裝基板分為:

    存儲芯片封裝基板(eMMC)

    用于智能手機的存儲模塊、固態硬盤等;

    微機電系統封裝基板(MEMS)

    用于智能手機、平板電腦穿戴式設備的傳感器等;

    射頻模塊封裝基板(RF)

    用于智能手機等移動通信產品的射頻模塊;

    處理器芯片封裝基板(WB-CSP和FC-CSP)

    用于智能手機、平板電腦等的基帶及應用處理器等;

    高速通信封裝基板

    用于數據寬帶、電信通訊、FTTX、數據中心、安防監控和智能電網中的轉換模塊;

    六種產品占據封裝基板市場主要份額


    主流封裝基板產品市場規模和結構


    封裝基板產品多樣化,從產值分布來看,2019年封裝基板主要以FC BGA/PGA/LGA(Flip Chip Ball / Pin / Land Grid Array,倒裝芯片球/針/平面柵格陣列封裝基板)、FC CSP(Flip Chip Scale Packaging,倒裝芯片級封裝基板)、FCBOC(Flip Chip Board on Chip for DRAM,動態隨機存取存儲器用芯片封裝基板)及WB PBGA(Wire Bond PBGA,鍵合塑料球柵陣列封裝)WB CSP(Wire Bond Chip Scale Packaging鍵合芯片級封裝基板),RF&Digital Module(射頻及數字模塊封裝基板)為封裝基板市場的六類主要產品。

    從供給來看,2019年全球主要有5個地區生產封裝基板,分別是日本、中國大陸、亞洲(除去日本和中國大陸,主要是中國臺灣、韓國和其他地區)、美國和歐洲。

    WB PBGA/CSP


    WB(wire-bonding,引線鍵合封裝技術),用金屬絲將芯片的I/O端(內側引線端子)與相對應的封裝引腳或者基板上布線焊區(外側引線端子)互連,實現固相焊接的過程。

    PBGA(Plastic ball grid array package)塑料球柵陣列。主要用于滿足200-800I/O引腳數需求。目前正持續被高端倒裝芯片及低端低成本CSP封裝搶占市場。

    20世紀90年代末,PBGA封裝之后不久出現了線鍵CSP封裝,精細間距BGA(FBGA)和CSP是完全相同的,但在未來它將被簡單地稱為CSP。CSP是一種更有效的線狀鍵合PBGA封裝,具有更緊密的球間距(0.8mm及以下),因此被稱為細間距BGA或FBGA。我們也可以進一步將CSP定義為:封裝尺寸小于20毫米的所有基板。CSP初是運用于較少引腳數的設備,但現在已經擴展到容納700個I/O及以上的設備。

    WBCSP用金線將半導體芯片與封裝基板連接,半導體芯片的大小大于基板面積80%的產品通常被稱為“WBCSP”(引線鍵合芯片尺寸封裝)。

    隨著半導體市場的發展,對WBCSP的總需求繼續增長。但因為高速增長的FCCSP,WBCSP市場份額逐漸減少。但對于許多I/O為20–500的設備來說,它仍是一種經濟高效的方法。CSP的需求初主要由大容量移動電話市場驅動,但如今,大多數其他便攜式和非便攜式應用程序都在使用CSP封裝,以實現更小的尺寸和更好的電氣性能。

    2019年全球WBPBGA/CSP封裝基板產值預計為20.07美元,占全球封裝基板總產值24.66%。Prismark預計2024年全球FC BGA/PGA/LGA封裝基板產值將達21.98美元,年復合增長率為1.83%。

    目前PBGA基板及CSP基板的主要生產供應商有JCI(日本)、Ibiden(日本)、Samsung(韓國)、LG(韓國)及PPT等公司。在TBGA基板方面,目前日本廠商仍然占據主導地位。日本的主要供應商包括:Shinko、Hitachi Cable、Mitsui及Sumitomo等公司。

    FC BGA/PGA/LGA


    FC BGA/PGA/LGA全稱Flip Chip Ball/Pin/Land Grid Array,倒裝芯片球/針/平面柵格陣列封裝基板。隨著芯片集成度不斷提高,其對集成電路封裝要求更加嚴格。I/O引腳數的急劇增加,使得FC BGA/PGA/LGA廣泛用于具有高復雜性的MPU(微處理器和內存保護單元)、CPU(中央處理器)和邏輯器件的封裝。BGA、PGA、LGA三種封裝所用封裝基板相似,但它們與主板的交互方式不同。所有這些封裝都使用倒裝芯片互連,而不是導線連接。

    2019年全球FC BGA/PGA/LGA封裝基板產值預計為33.52億美元,占全球封裝基板總產值41.18%。Prismark預計2024年全球FC BGA/PGA/LGA封裝基板產值將達51.86億美元,年復合增長率為9.12%。

    FCCSP/BOC


    FCCSP

    半導體芯片不是通過引線鍵合方式與基板連接,而是在倒裝的狀態下通過凸點與基板互連,因此而被稱為“FCCSP”(Flip Chip Chip Scale Package)。倒裝芯片CSP(FCCSP)包提供了一個較低的輪廓,更好的電氣性能,并略高于傳統的電線結合CSP包I/O。FCCSP與FCBGA的區別僅在于封裝尺寸(<20mm)、填料節距(典型的CSP為<0.8mm球節距)。

    由于FCCSP封裝的高性能(將半導體芯片到PCB間的距離降至低,信號損失很少,可確保高性能)和高I/O(得益于精細bump pitch,形成大量I/O應用),主要用于手機應用處理器、基帶等產品封裝中。

    FCBOC

    BOC(Board on Chip for DRAM)主要包括WBBOC和FCBOC兩種。2018年以前,大多數DRAM設備都采用WBBOC封裝,尤其是在2017年,三星(Samsung)推出了超過35億個WBBOC封裝。

    FCBOC是指使用倒裝技術的DRAM封裝,三星從2015年前就開始將這項技術用于圖形DDR(內存)或GDDR(顯存),現在正將其用于PC應用程序中的主流DDR,2019年及以后FCBOC將逐漸完全取代WBBOC封裝。

    BOC的主要用戶是存儲器公司-三星、SKHynix和Micron,主要的基板供應商包括Simmtech、Eastern、ASE Material、Unimicron等。

    2019年全球FCCSP/BOC封裝基板產值預計為17.25億美元,占全球封裝基板總產值21.19%。Prismark預計2024年全球FCCSP/BOC封裝基板產值將達20.60億美元,年復合增長率為3.61%。

    RF AND Digital Module射頻及數字模塊


    Digital Module

    數字模塊將多個模具和其他組件被焊接或嵌入主板,從而可以包括任意數量的模塊應用。迄今為止常見的包括MEMS傳感器、MEMS麥克風和攝像頭模塊。

    用于數字模塊的基板與用于BGA和CSP封裝的基板相似。他們通常使用簡單的兩到四層基板,但現在加入了更先進的薄核組裝基板設計。特別是對于許多MEMS麥克風來說,一個獨特的區別是在基板中使用了嵌入式電容器和電阻箔。

    主要數字模組基板供應商包括金星、Unimicron、南亞PCB、深南、森科、LG Innotek等。

    RFModule

    射頻模塊包括一系列解決方案,通常包括一個或多個有源功率器件和無源元件。RF模塊常見于功率放大器(PA)和功率放大器雙工器(PAD)模塊,還用于WLAN/藍牙和/或GPS的連接模塊,通常使用有機封裝基板。射頻模塊的尺寸通常為3毫米到10毫米,通??梢园坏剿膫€有源CMOS或砷化鎵芯片,以及多達四十個分立無源元件。

    2019年全球RF AND Digital Module封裝基板產值預計為10.55美元,占全球封裝基板總產值12.96%。Prismark預計2024年RFANDDigital Module封裝基板產值將達17.10美元,年復合增長率為10.41%。



    封裝基板應用的關鍵市場和技術驅動因素


    用于高性能計算的大面積FCBGA封裝需求驅動封裝基板需求成長


    高性能計算包括傳統的基于cpu的計算機,從高端桌面和筆記本電腦到領先的服務器、計算和網絡應用程序三大類。


    后者越來越多地使用GPU和高級內存總線來實現超級計算和Al應用程序所需的高性能。長期以來,高端CPU和GPU一直被封裝在FCBGA、FCLGA或FCPGA中,它們可以通過插槽直接安裝到主機的主PCB上,也可以使用中間的子卡。


    在筆記本電腦中系統級的尺寸和厚度要求CPU直接安裝在主機的主板上。然而,在桌面服務器和許多其他高性能計算應用程序,CPU通常以BGA或LGA包的形式提供,并通過插座或類似的連接器安裝到主板上。


    Intel的高端服務器CPU,包括聯想服務器使用的Xeon CPU,都采用了公司的PoINT(Patch on INTerposer)技術。在英特爾的命名法中,CPU芯片被翻轉到一個“補丁”上,這實際上是一個具有高路由密度的BGA基板,以適應前沿的CPU芯片。然后將此補丁安裝到插入器上。Intel將補丁稱為HDI(高密度互連),將插入器稱為LDI(低密度互連)。在Prismark的術語中,兩者都是內置的封裝基板,而插入器的路由密度略低。


    Al和機器學習帶來了對海量數據的處理需求


    英特爾的Xeon是一款傳統的、但處于領先地位的CPU,它是專注應用于Al和機器學習一種新的高端處理,而這些應用使用GPU。所有的應用程序都依賴于模式識別來創建一個算法來解釋大量的數據,而GPU比CPU更適合這種類型的數據處理。


    自動駕駛汽車可能是這些新型人工智能應用中具辨識度的一個。但機器學習也被用于語音識別、游戲、工業效率優化和戰爭。Nvidia是這些Al應用的GPU的主要供應商,該公司的Nvidia的自動駕駛汽車驅動平臺是系統和組件封裝實踐的一個很好的例子初用于特斯拉自動駕駛儀的驅動平臺,本質上是一個小型(31x16cm的盒子)超級計算機,它可以解讀汽車傳感器的數據,創建出汽車周圍環境的虛擬3D地圖。并決定適當的行動。值得注意的是,大量數據定期上傳到汽車制造商的數據中心,在那里,基于數百萬英里的駕駛經驗,自動駕駛算法不斷改進。


    這些例子的CPU和GPU是大型尺寸的FCBGA封裝驅動的需求復雜的封裝基板的主要例子。


    SiP/模塊封裝需求旺盛驅動封裝基板需求成長


    有機封裝基板的第二個重要增長驅動力是SiP/modules。


    SiP(System-in-Package)將主動和被動元器件組合在一個包含特定功能的封裝體/模塊中。突出的SiP是用于蜂窩和其他射頻系統的射頻模塊,如功率放大器模塊。前端模塊和WiFi模塊。其他例子包括傳感器模塊,如MEMS加速度計算或攝像機模塊,以及電源模塊,比如DC/DC轉換器。大多數這樣的模塊使用剛性PCB基板,雖然有些使用柔性,陶瓷,或引線框載體。與上面討論的高性能計算設備相比,IO數量很低(大多數遠低于100),并且封裝的球/墊的間距非常寬松(多為1毫米)。另一方面,特別是射頻模塊往往有一個很多且越來越多的器件和元件,必須在模塊內互連。這增加了模塊基板的路由密度,增加了它的層數和設計幾何形狀。


    新的射頻模塊應用是5GmmWave天線模塊


    用于5G智能手機和類似的5G接入設備。這種應用的高頻率要求射頻收發器和天線之間的近距離。因此,mmlWave天線模塊被設計成將收發器和支撐組件安裝在一側,貼片天線安裝在另一側。結果是一個復雜的5-2-5基板。每個5G中使用三或四個這樣的天線模塊毫米波智能手機。


    非射頻SiP模塊應用


    蘋果提供了有趣的推動力。從蘋果手表,幾乎所有的組件都裝在一個大的SiP。另一個SiP的例子是用在蘋果的新AirPods專業無線耳機。之前的AirPods主要使用的是安裝在伸縮電路上的分立元件(還有一些更小的SiP)。新的AirPodsPro將幾乎所有的組件整合到一個5x10毫米的SiP中。這個SiP非常復雜。實際上,它本身由四個SiP和一個跨接PCB組成,所有這些都組合成一個小的組件。


    主SiP結合了幾個WLCSP到一個3-2-3基板的頂部然后集成封裝。該基板的底部支持一個額外的三個SiP(一個藍牙SiP和兩個MEMS加速計SiP)加上一個跨接PCB用于連接到AirPods Pro flex電路。藍牙SiP本身是相當復雜的,包括藍牙芯片和內存芯片,加上一個時鐘和被動式,安裝在一個6L任意層基板的兩側并覆蓋成型。每年要交付數十億個SiP/模塊,比大型BGA包高出一個數量級。


    先進封裝基板市場的發展驅動封裝基板需求成長


    封裝基板的需求已經被持續使用的晶圓級CSP削弱。WLCSP發展迅速,因為他們提供了小尺寸,可以非常薄(<0.4毫米)和提供良好的球間距(0.35毫米),且不使用任何基材或載體。但WLCS廣泛應用于智能手機和其他便攜式產品中。然而封裝基板的主要增長動力是大面積FCBGA封裝和SiP。


    在可實現的布線密度方面,硅的技術路線圖超過了PCB。封裝基板是用來提供高密度的接口之間的硅模具和更大,低密度PCB主板。但是用于高性能計算處于領先地位的CPU和GPU,即使是高密度的封裝基板也不足以實現一級互連。


    以5μm線和空間為例,重點是半導體工藝技術作為替代。在典型的排列中。采用半導體制造技術的中間插層,將有源模的高密度布線要求與有機封裝基板的低密度能力進行轉換。值得注意的是,這種封裝方法仍然需要有機封裝基質,它的大小和層數都在增加其中一些產品已經開始批量發貨。


    英特爾EMIB嵌入式硅插入器


    英特爾的酷睿i7 8705G筆記本處理器實際上結合了英特爾的CPU,一個AMD的GPU和HBM內存在一個單一的FCBGA封裝體。為了獲得高的性能,GPU和內存采用倒裝芯片,直接安裝在附近,并與硅橋芯片互連,在兩個芯片之間提供高完整性的信號和電源線。英特爾CPU被單獨直接放置在BGA基板上。


    帶有TSV的硅插接器


    AMD提供一系列用于高性能計算應用的CPU和GPU,包括工作站和Al處理器。為了解決高速內存訪問的需求,內存好集成在處理器封裝體中。在許多情況下,這是通過在相同的高密度封裝基板上,將內存芯片翻轉到CPU/GPU芯片旁邊來實現的。但在前沿應用中,存儲芯片是堆疊在一起的,隨后安裝在一個硅插接器上,該插接器也攜帶處理器芯片。



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