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芯片封装简史

热度 20已有 2546 次阅读| 2022-3-19 15:46 |系统分类:芯片设计

为什么封装现在很重要

封装曾经是半导体制造过程中的事后想法，不被大家重视。当你创造了这一小块神奇的硅片之后，然后把他用某种方法封装起来，同时引出管脚，一颗芯片就诞生了。但是随着摩尔定律的延伸，工程师们意识到，他们可以利用对芯片的所有部分，包括封装在内进行优化和创新，来制造出最好的产品。

更令人惊讶的是，过去没有一家封装公司被认为像传统的前端制造工艺那样重要。封装供应链通常被认为是"后端"，并被视为成本中心，类似于银行业的前台和后台。但现在，随着前端难以更好的缩小芯片尺寸，一个全新的关注领域已经出现，这就是对先进封装的重视。

接下来我们讨论一下封装的发展简史，从简单的DIP封装一直到先进的2.5D或3D封装。

封装发展简介

这是我从这个精彩的视频座中发现的封装技术的简要层次结构。如果你有一些时间，可以看一下。（视频发表于2012年，但是当时已经提到了现在最新的3D封装技术，所以并不过时）

封装技术一个简化的演变过程是：DIP>QFP>BGA>POP/SiP>WLP

显然，有很多不同的封装技术，但我们要讨论的是大致能代表每种类型的简单技术，然后慢慢将其带到现在。我也非常喜欢下图这个高层次的概述（不过它已经过时了，但仍然正确）。

在封装的最初阶段，裸片通常采用陶瓷或金属罐封（气密），以实现最大的可靠性。这主要适用于航空航天和军事应用，这些功能需要最高水平的可靠性。然而，对于我们的大多数日常用例来说，这并不是真正可行的，所以我们开始使用塑料封装和双列直插封装（DIP）。

DIP封装（1964-1980年代）

最早的DIP包装元件是由仙童半导体司的Bryant Buck Rogers在1964年时发明，在表面贴装技术问世之前的十年里，它被广泛应用。DIP在实际的裸片周围使用塑料封装外壳（编辑注：实际上陶瓷封装的军品芯片也大批采用了DIP封装），并有两排平行的突出的引脚，称为引线框架，与下面的PCB（印刷电路板）相连。

实际的芯片通过键合线连接到两个引线框架，两个引线框架可以连接到印刷电路板（PCB）。DIP封装以复古的方式具有标志性，设计选择是可以理解的。实际的裸片将完全密封在树脂中，因此它带来了高可靠性和低成本，并且许多首批标志性的半导体都是以这种方式封装的。请注意，芯片通过导线连接到外部引线框架，这使其成为一种"引线键合"封装方法。稍后将对此进行详细介绍。

下面是英特尔8008--实际上是第一批现代微处理器之一。注意它的标志性DIP封装。因此，如果你看到那些看起来像小蜘蛛的半导体的时髦照片，这只是一个DIP封装类的半导体。

英特尔的原始微处理器，8008 家族

然后，这些小金插针中的每一个都被焊接到PCB上，在那里它与其他电气元件和系统的其余部分接触。以下是封装如何焊接到PCB板上。

PCB本身通常是由铜或其他电气元件由非导电材料层压而成。然后，PCB板可以将电信号从一个地方输送到另一个地方，并让个元件相互连接和通信。

虽然DIP还有其他演绎版，但实际上是时候转向始于20世纪80年代的下一个封装技术范式或表面贴装封装了。

表面贴装封装（1980-1990年代）

下一步的变化不是通过DIP安装产品，而是引入表面贴装技术（SMT）。正如所暗示的那样，封装直接安装在PCB的表面上，并允许在一块基板上使用更多的元件并降低成本。下图是典型的表面贴装封装。

这种封装有许多变体，在半导体创新的鼎盛时期，这一直是很长一段时间的主力。值得注意的是，大部分芯片都是4个侧面都有引脚。这遵循了封装的一般愿望，即占用更少的空间并增加连接带宽或I / O。每一项额外的进步都会考虑到这一点，并且是一种值得关注的模式。

这个过程曾经是手动的，但现在是高度自动化的。此外，这实际上为PCB创造了相当多的问题，如popcorning。封装爆裂是指在焊接过程中，塑料封装内的水分被加热，由于快速加热和冷却，水分在PCB上造成问题。另一件需要注意的事情是，随着封装工艺的每一次提升，复杂性和故障也会随之增加

球栅封装和芯片级封装（1990年代至2000年代）

随着对半导体速度的需求不断提高，对更好封装的需求也在不断增加。虽然出现了QFN（四方扁平无引线）和其他表面贴装技术，但我想向你介绍一种我们在未来必须了解的封装设计的开端，这就是广泛使用的球栅阵列（BGA）封装的开始。

这些焊球或凸起被称为焊料凸起/球

这就是球栅阵列的外观，可以从下面直接将一块硅片安装到PCB或基板上，而不是像以前的表面贴装技术那样简单地将所有4端的角落贴上胶带。

因此，这只是我上面列出的趋势的另一个延续，占用更少的空间，有更多的连接。现在，我们不再是用电线细细地连接每一侧的封装，而是直接将一个封装连接到另一个。这导致了密度的增加，更好的I/O性能，以及现在增加的复杂性，即你如何检查BGA封装是否工作。在这之前，封装主要是通过视觉检查和测试。现在我们无法看到封装，所以没有办法进行测试。我们可以X射线进行检查，以及更复杂的技术。

现代封装（2000-2010年代）

我们现在走进了现代封装的时代。

上面描述的许多封装方案今天仍在使用，但是，您将开始看到越来越多的封装类型，并且这些封装类型将来会变得更加相关。公平地说，许多这些即将到来的技术是在过去几十年中发明的，但由于成本原因，直到后来才被广泛使用。

倒装芯片

这是你可能会读到或听到的最常见的封装之一。我很高兴能为你定义它，因为到目前为止，我读过的入门书中还没有一个令人满意的解释。倒装芯片是IBM很早就发明的，通常会被缩写为C4。就倒装芯片而言，它确实不是一种独立的封装形式，而是一种封装风格。它几乎就是只要在芯片上有一个焊接凸点就可以了。芯片不是用线粘合互连，而是翻转过来面对另一个芯片，中间有一个连接基板，所以叫 "倒装芯片"。

从维基百科上的解释内容可以更好的理解什么是倒装芯片：

1. 在晶圆上创建集成电路

2. 芯片表面的焊盘被金属化

3. 每个焊盘上都沉积一个焊点

4. 芯片被切割

5. 芯片被翻转和定位，以便焊球面向电路

6. 然后将焊球重新熔化

7．安装好的芯片用电绝缘胶进行底部填充

引线键合

请注意倒装芯片与引线键合有何不同。上面介绍的DIP封装这就是引线键合，其中芯片使用导线键合到另一种金属上，然后焊接到PCB上。引线键合不是一种特定的技术，而是一套较旧的技术，涵盖了许多不同类型的封装。引线键合是倒装芯片的前身。

先进封装（2010年代至今）

我们一直在缓慢地进入"先进封装"半导体时代，我现在想谈谈一些更高级的概念。实际上，有各种层次的"封装"适合这个思维过程。我们之前讲过的大多数封装，都集中在芯片封装到PCB上，但先进封装的开始其实是从手机开始的。

手机在很多方面都是先进封装诸多方面的巨大前奏。这是有道理的！对于手机需要在尽可能小的空间内集成大量的芯片，比笔记本电脑或台式电脑密度大得多。所有东西都必须被动冷却，当然也要尽可能薄。这将封装推向了新的极限。我们讨论的许多概念都是从智能手机封装开始的，现在已经将自己推向了半导体行业的其他部分。

芯片级封装（CSP）

芯片级封装实际上比听起来要宽一些，最初意味着芯片大小的封装。技术定义是封装尺寸不超过芯片本身的1.2倍，并且必须是单芯片且可连接的。实际上，我已经向您介绍了CSP的概念，那就是通过倒装芯片。但CSP确实通过智能手机提升到了一个新的水平。

这张照片中的所有东西都是芯片芯片的1.2倍大小，并且专注于节省尽可能多的空间。CSP时代有很多不同的风格，包括倒装芯片、右基板和其他技术，都属于这一类。

晶圆级封装(WLP)

但还有一个更小的级别--这就是 "终极 "芯片规模的封装尺寸，或在晶圆级封装。这几乎就是把封装放在实际的硅片本身。封装的就是硅片。它更薄，具有最高水平的I/O，而且显然会非常热，很难制造。先进的封装革命目前是在CSP的规模上，但未来将集中在晶圆上。

这是一个有趣的演变，封装被实际的硅本身所包含。芯片是封装，反之亦然。与仅仅将一些球焊接到芯片上相比，这真的很昂贵，那么我们为什么要这样做呢？为什么现在对先进封装如此痴迷？

先进封装：未来

这是我长期以来一直在描述的趋势的一个顶峰。异构计算不仅是专业化要做的事，而且是我们如何将所有这些专业化的碎片放在一起的事。先进的封装是使这一切发挥作用的关键推动因素。

让我们来看看苹果M1 - 一种经典的异构计算配置，特别是其统一的内存结构。对我来说，M1的诞生不是一个 "哗众取宠 "的时刻，而是异构计算即将爆发的一个奇特时刻。

M1正在敲响未来的样子，许多人很快就会效仿苹果的做法。请注意，实际的SOC（片上系统）不是异构的--但是将内存靠近SOC的定制封装是异构的。

M1采用2.5D封装将内存直接封装到处理旁边，不需要PCB连线，

另一个非常好的高级封装的好例子是Nvidia的新款A100。再次注意到PCB上没有电线。

HBM2 不像传统的 GDDR5 GPU 板设计那样需要围绕 GPU 的大量离散内存芯片，而是包括一个或多个多个内存芯片的垂直堆栈。存储芯片使用微小的导线进行连接，这些导线由硅通孔和微凸起形成。一个 8 Gb HBM2 芯片包含 5，000 多个硅通孔。然后使用无源硅中介层连接内存堆栈和GPU芯片。HBM2 堆栈、GPU 芯片和硅中介层的组合封装在单个 55mm x 55mm BGA 封装中。有关 GP100 和两个 HBM2 堆栈的图示，请参见图 9;有关具有 GPU 和内存的实际 P100 的显微照片，请参见图 10。

这里的结论是，世界上最好的芯片都是用一种方式制造出来的，而且这种革命不会停止。接下来介绍高级封装的两个主要类别，2.5D和3D封装。

2.5D封装

2.5D有点像我们上面提到的倒装芯片的turbo版，但不是将单个裸片堆叠到PCB上，而是将裸片堆叠在单个中介层的顶部。我想这张图很好地说明了这一点。

2.5D就像有一个地下室的门进入你邻居的房子，物理上是一个凸点或TSV（通过硅通孔）进入你下面的硅插板，这就把你和你的邻居连接起来。这并不比你实际的片上通信快，但由于你的净输出是由总的封装性能决定的，降低的距离和增加的两个硅片之间的互连超过了没有在一个单一的SOC上的所有缺点。

这样做的好处是你可以使用设计好的“小芯片”来快速拼凑更大更复杂的封装。如果能在一块硅片上完成就更好了，但这种工艺使制造变得更容易，特别是在较小的尺寸上。

“小芯片”和2.5D封装可能会使用很长时间，它比3D封装更容易制造，也便宜得多。此外，它可以很好地扩展，并且可以与新的小芯片一起重复使用，从而通过更换小芯片来制造相同封装格式的新芯片。AMD的新的Zen3改进就是这样的，其中封装相似，但一些小芯片得到了升级。

3D封装

3D封装是一个“圣杯”圣杯，是封装的终极终结。可以这样比喻，现在，与其在地面上拥有所有1层楼高并由地下室连接的独立小房子，不如拥有一座巨大的摩天大楼，该摩天大楼是用适合功能所需的任何工艺定制的。这是3D封装 - 现在所有的封装都是在硅片本身上完成的。它是驱动更大、更复杂结构的最快、最节能的方法，这些结构是为任务而构建的，并将显著延长摩尔定律。未来我们可能无法获得更多的芯片尺寸收缩，但现在有了3D封装，我们仍然可以在未来改进我们的芯片，类似于以前的摩尔定律。

而有趣的是，我们有一个整个半导体市场走向3D的明显例子--内存。存储器向3D结构的推进是对未来发展的一个很好的说明。NAND不得不采用3D结构的部分原因是它们在较小的几何尺寸上难以扩展。想象一下，内存是一座大型的3D摩天大楼，每一层都由一个电梯连接起来。这些被称为 "TSV "或通硅孔。