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[導讀]盡管近年來國內一些龍頭企業的先進封測關鍵技術正在不斷取得突破,但對比代工業十年發展史,封測行業的增速明顯低于代工業。

電子封裝是集成電路芯片生產完成后不可或缺的一道工序,是連接器件與系統的橋梁。

按照當前國際上比較流行的觀點,在微電子器件的總體成本中,設計占到⅓,芯片生產占到⅓,而封裝和測試也占到⅓,可謂是“三分天下有其一”。

認識與理解

在談及封裝的重要性之前,我們先來了解一下什么是封裝?

從工藝的角度看,封裝就是把集成電路裝配為芯片最終產品的過程。簡單地說,就是把Foundry生產出來的集成電路裸片(Die)放在一塊起到承載作用的基板上,把管腳引出來,然后固定包裝成為一個整體。

如果細說的話,主要包括以下三種:

1、芯片封裝:利用膜技術及微細加工技術,將芯片及其它要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接,引出接線端子,并通過可塑性絕緣介質灌封固定,構成整體結構的工藝。

2、電子封裝:將基板、芯片封裝體和分立器件等要素,按照電子整機要求進行連接和裝配,實現一定電氣、物理性能,轉變為具有整機或系統形式的整機裝置或設備。

3、集成電路封裝:保護芯片不受或者少受外界環境的影響(包括物理、化學的影響),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。

功能與作用

對于微電子器件而言,封裝是一道至關重要的生產環節。因為封裝技術的高低,不僅直接影響著集成電路本身的電性能、機械性能、光性能、熱性能等,還在很大程度上決定著電子整機系統的小型化、多功能化、可靠性與成本。

封裝1

具體來說,封裝的主要作用如下:

1、物理保護:為了防止空氣中的雜質對芯片電路造成腐蝕,因此芯片必須與外界隔離,達到保護電氣性能、保護芯片表面,以及連接引線等,使相當柔嫩的芯片在電氣或熱物理等方面免受外力損害及外部環境的影響。

同時,通過封裝還可使芯片的熱膨脹系數與框架或基板的熱膨脹系數相匹配,以此緩解由于熱等外部環境的變化而產生的應力,以及由于芯片發熱而產生的應力,從而能夠防止芯片損壞失效。

需要說明的是,選用不同的結構和材料,其散熱效果也會不同,因此封裝越薄越好。對于功耗較大的芯片或部件封裝,應考慮增加散熱片、熱沉片,或是使用強制冷卻手段,以保證系統在使用溫度要求的范圍內能夠正常工作。

此外,封裝后的芯片也更加便于安裝和運輸。

2、電氣連接:封裝的尺寸調整(間距變換)功能可由芯片的極細引線間距,調整到實裝基板的尺寸間距,從而便于實裝操作。

例如,從以亞微米(目前已達0.13μm以下)為特征尺寸的芯片,到以10μm為單位的芯片焊點,再到以100μm為單位的外部引腳,最后到以毫米為單位的印刷電路板,都是通過封裝來實現的。封裝在這里起著由小到大、由難到易、由復雜到簡單的變換作用,從而可以大幅降低操作費用和材料費用,并能提高工作效率和可靠性。

3、標準規格化:規格通用功能是指封裝的尺寸、形狀、引腳數量、間距、長度等有標準規格,既便于加工,又便于與印刷電路板相配合,相關的生產線及生產設備都具有通用性。這對于封裝用戶、電路板廠家、半導體廠家都很方便。與之相比,裸芯片實裝及倒裝尚不具備這方面的優勢。

技術與分類

封裝的工序比較復雜,大概有十幾道工序,包括磨片、劃片、裝片、鍵合……如果僅從技術的角度看,封裝可分為四個層次:

第一層次:芯片互連級(零級封裝),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:一級封裝(多芯片組件),將數個第一層次完成的封裝,與其它電子元器件組成一個電子卡的工藝。

第三層次:二級封裝(PWB或卡),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:三級封裝(母板),將數個子系統組裝成為一個完整電子產品的工藝過程。

封裝的分類

當前,封裝技術大致可分為以下幾種方式:

1、TO晶體管外形封裝。這是早期的封裝規格,例如TO-92、TO-92L、TO-220、TO-252等都是插入式封裝設計。近年來,表面貼裝市場需求量增大,TO封裝也進展到了表面貼裝式封裝,其中TO-252和TO263就是表面貼裝封裝。

2、DIP雙列直插式封裝。這是當前最普及的插裝型封裝,絕大多數中小規模集成電路(IC)均采用的是DIP封裝,其引腳數一般不超過100個,應用范圍包括標準邏輯IC、存貯器LSI、微機電路等。

采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳,需要插到具有DIP結構的芯片插座上。當然,也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特別小心,以免損壞引腳。

DIP封裝具有兩大特點:一是適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接,操作方便;二是芯片面積與封裝面積之間的比值較大,故體積也較大。據了解,Intel公司早期CPU,如8086、80286就采用這種封裝形式,緩存(Cache)和早期的內存芯片也是這種封裝形式。

3、SOP小尺寸封裝。這是DIP的縮小版,其引線中心距為1.27mm,材料有塑料和陶瓷兩種。

4、QFP塑料方型扁平式封裝。QFP封裝的芯片引腳之間距離很小、管腳很細,一般大規?;虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式。

5、PGA插針網格陣列封裝。PGA封裝的芯片,內外有多個方陣形的插針,每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列,其最大的特點就是插拔操作更方便、可靠性更高,并且可適應更高的頻率。據了解,在Intel系列CPU中,80486和Pentium、Pentium Pro均采用的是這種封裝形式。 

6、BGA球柵陣列封裝。由于具有成品率高、可靠性強,以及改善電熱性能等優點,因此BGA封裝一出現,便成為了CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。

7、CSP芯片尺寸封裝。為了滿足全球電子產品個性化、輕巧化的需求,封裝技術已經進步到了CSP。它減小了芯片封裝外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封裝尺寸就有多大。即封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍,IC面積只比晶粒(Die)大不超過1.4倍。

8、MCM多芯片模塊。為了解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題,把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多層互聯基板上用SMD技術組成多種多樣的電子模塊系統,從而出現了MCM多芯片模塊系統,其最大的特點就是封裝延遲時間縮小,易于實現模塊高速化;同時還能縮小整機/模塊的封裝尺寸與重量,并能大幅提高系統可靠性。

創新與突破

隨著電子技術的飛速發展,封裝的小型化和組裝的高密度化,以及各種新型封裝技術的不斷涌現,對電子組裝質量的要求也越來越高。所以,電子封裝的新型產業也就隨之出現了,即電子封裝測試行業。

在我國產業升級的大背景下,隨著消費電子產業的崛起,以及相關產業工程師數量的日益增多,推進了中國電子封裝測試行業迅速崛起。根據中國半導體行業協會的統計數據顯示,2018年我國集成電路封裝測試行業市場規模達到2193.9億元,同比增長16.1%;截至2019年上半年,我國集成電路封裝測試行業銷售額累計達到1022.1億元,同比增長5.4%。

封裝2

(數據來源:前瞻產業研究院)

從技術層面來看,近年來國內一些龍頭企業的先進封測關鍵技術正在不斷取得突破:

1、江蘇長電科技股份有限公司:應用于5G通訊的高密度系統級封測技術取得進步;導熱技術與混合封裝技術,可滿足5G市場高速率傳輸的需求;新一代屏下指紋超薄封裝技術也有長足進展,不僅可以滿足未來手機在超薄設計的需求,還能大幅改善傳輸的效率和準確率,有益于未來超薄手機的安防與保密設計。

2、通富微電子股份有限公司:成功開發了12英寸觸控與顯示整合芯片用金凸塊工藝技術,并開發了國產CPU封測技術,重點開發了大尺寸芯片Bumping的結構、材料的設計與選型,以及CPU bumping圓片的CP測試技術、FCBGA倒裝封裝結構手機等。

3、華天科技股份有限公司:毫米波雷達芯片封裝取得重大進展,毫米波雷達芯片硅基扇出型封裝研制成功;存儲封裝,3D NAND&LPDDR MemoryBGA導入量產,建立了0.13超薄基板Memory封裝測試,3D NAND&LPDDR Memory產品從無到有;MEMS封裝,硅麥克風三層堆疊工藝技術成功導入量產。

4、中科芯集成電路有限公司:成功開發了12nm晶圓級芯片尺寸封裝的量產技術,覆蓋扇入/扇等高密度集成需要,還成功開發了晶圓級有鉛/無鉛圓片級凸點制備技術,并且研制了高可靠基本型塑封技術。

發展與趨勢

1、回顧過去:2019年上半年,中國集成電路設計業銷售收入比重為39.6%,集成電路制造業銷售收入比重為26.9%,集成電路封裝測試業銷售收入比重為33.5%。對比過去,如今我國集成電路的產業結構明顯更加合理。

封裝3

(數據來源:前瞻產業研究院)

另外,根據中國半導體行業協會的統計數據顯示,截至2019年上半年,中國集成電路設計業銷售收入為1206.1億元,同比增長18.3%,增速有所下滑。

封裝4

(數據來源:前瞻產業研究院)

對比代工業十年發展史,封測行業的增速明顯低于代工業:一是,在技術方面,代工業通過摩爾定律技術驅動,重塑產業模式,確定了行業明顯增長軌跡;而摩爾定律推動封測行業發展不如代工業顯著。

二是,在生產格局上,Fabless客戶委外代工是唯一選擇,而封測并沒有全部外包,這就決定了封測行業并未顯現同比例增長。

封裝行業增速

(數據來源:天風證券研究所)

2、展望未來:根據《國家集成電路產業發展推進綱要》發展目標指出,到2020年集成電路產業與國際先進水平的差距逐步縮小,全行業銷售收入年均增速超過20%,企業可持續發展能力大幅增強,關鍵裝備和材料進入國際采購體系,基本建成技術先進、安全可靠的集成電路產業體系;到2030年集成電路產業鏈主要環節達到國際先進水平,一批企業進入國際第一梯隊,實現跨越發展。

在國家產業政策扶持和社會資金支持等利好條件下,未來我國半導體材料領域或將涌現出更多具有國際競爭力的產品,而封測行業的增速也或將隨之有所上漲。

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蔡璐

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