電子封裝技術發展現狀及趨勢

龍 樂

（龍泉天生路205號1棟208室，成都 610100）

電子封裝技術發展現狀及趨勢

龍 樂

（龍泉天生路205號1棟208室，成都 610100）

現今集成電路晶圓的特征線寬進入微納電子時代，而電子產品和電子系統的微小型化依賴先進電子封裝技術的進步，封裝技術已成為半導體行業關注的焦點之一。主要介紹了近年來國內外出現的有市場價值的封裝技術，詳細描述了一些典型封裝的基本結構和組裝工藝，并指出了其發展現狀及趨勢。各種封裝方法近年來層出不窮，實現了更高層次的封裝集成，因而封裝具有更高的密度、更強的功能、更優的性能、更小的體積、更低的功耗、更快的速度、更小的延遲、成本不斷降低等優勢，其技術研究和生產工藝不可忽視，在今后的一段時間內將擁有巨大的市場潛力與發展空間，推動半導體行業進入后摩爾時代。

高密度封裝；3D封裝；封裝技術；封裝結構；發展趨勢

1 引言

創新與變革是IC（集成電路）發展的主旋律，“新摩爾定律”、“超摩爾定律”、“后摩爾定律”等新概念引領IC行業從追求工藝技術節點的時代，發展到轉向投資市場應用及其解決方案，轉向封裝、混合信號、微系統、微結構、微組裝等綜合技術創新，轉向與客戶建立緊密戰略聯盟的大生態系統，轉向更多地依賴于芯片封裝技術發展的全新時代。封裝已承擔起越來越多的集成化、多元化、規模化功能，芯片的設計、制造和封裝這三大環節直接互動更為頻繁，其聯系也更加密切，從DFM“可制造性設計”的基礎上，提出DFP、MFP等全新標志性理念。由此可見，加快發展芯片封裝技術的重要性、緊迫性是不言而喻的，并將為這一產業帶來新的市場和機遇的對接，對半導體技術產業化具有強大的推動力。

2 封裝產業發展現狀

國內封裝產業隨半導體市場規模快速增長，與此同時，IC設計、芯片制造和封裝測試三業的格局也正不斷優化，形成了三業并舉、協調發展的格局。作為半導體產業的重要部分，封裝產業及技術在近年來穩定而高速地發展，特別是隨著國內本土封裝企業的快速成長和國外半導體公司向國內轉移封裝測試業務，其重要性有增無減，仍是IC產業強項。

境外半導體制造商以及封裝代工業紛紛將其封裝產能轉移至中國，近年來，飛思卡爾、英特爾、意法半導體、英飛凌、瑞薩、東芝、三星、日月光、快捷、國家半導體等眾多國際大型半導體企業在上海、無錫、蘇州、深圳、成都、西安等地建立封測基地，全球前20大半導體廠商中已有14家在中國建立了封測企業，長三角、珠三角地區仍然是封測業者最看好的地區，拉動了封裝產業規模的迅速擴大。另一方面，國內芯片制造規模的不斷擴大，也極大地推動封裝產業的高速成長。為了降低成本，近年來許多封測企業選擇中西部地區新建工廠。英特爾成都封測廠擁有國際最先進的晶圓預處理流程技術，制造周期可縮短30%～50%，英特爾全球50%以上的處理器都出自成都工廠。一部分集成器件制造商及封測代工企業將產能轉移至中西部地區，這種趨勢將會持續數年。

盡管如此，IC產業仍喜憂參半。在2010年，國內IC市場規模擴大到7 350億元，其產業規模與市場規模之比始終未超過20%，如扣除接受境外委托代工的銷售額，則實際國內自給率還不足10%，IC已連續多年超過石油和鋼鐵進口額的總和，成為國內最大宗的進口商品。美歐日韓等憑借技術領先戰略，主導著產業和技術發展方向，CPU、存儲器、微控制器、數字信號處理器等量大面廣的通用IC產品基本依賴進口。國內IC設計、制造、封測在核心技術與產品的研發和商品化方面，其競爭實力有待進一步加強。在超大規模IC方面，需要對封裝、引線精密制造、芯片引線鍵合、材料選擇、結構設計和冷卻手段等進行技術創新。封裝環節技術競爭是以市場規模化為主的，目前，國內整個IC產業還屬于幼嫩時期，產業規模小，競爭力弱，抵御市場波動能力差，政產學研用相結合的原創新體系尚未建立，多渠道的投融資環境尚未形成，封測產業也毫不例外，與國際先進水平相比仍有近10年差距。在整體產業化技術水平上，國內封測業仍以DIP（雙列直插封裝）、SOP（小外形封裝）、QFP（四邊引腳扁平封裝）等傳統的中低端封裝形式為主，近年來企業銷售量大幅增長，有多家企業封裝能力達數十億塊，但銷售額卻停滯不前，效益大幅下滑，技術水平參差不齊，趨于同質化競爭，主要體現在市場、技術、成本、資金、人才等方面。產業鏈不夠完善，難以滿足國內設計和芯片制造發展的要求，需要持續穩步擴大產業規模，加強技術創新，加快產品結構調整，加速人才培育，加大對外合作交流。

3 封裝技術發展現狀

ITRS（國際半導體技術路線圖組織）針對半導體產業發展的挑戰，提出“新摩爾定律”概念的基本內涵是功能翻番，為IC芯片和封裝帶來了層出不窮的創新空間。隨著封裝技術的不斷發展， MCP、SiP、SoP、PoP、SCSP、SDP、WLP等封裝結構成為主流，并為趨于Z方向封裝發展的3D（三維）集成封裝、TVS（硅通孔）集成等技術研發奠定了堅實的基礎，可解決芯片技術發展的一些瓶頸問題，有可能引發半導體技術發展方式的根本性改變。

3.1 國內封裝技術發展現狀

經過企業積極進取和艱苦努力，引進、消化吸收國外先進封裝技術以及多年的技術沉淀與持續研發，封裝產業近年來涌現出很多半導體創新產品和技術，通過行業頂級評選、參與國家科技重大專項實施、封裝測試技術與市場專題研討會、中國半導體市場年會等活動，可以從中管窺封裝技術發展現狀。

以技術創新性為代表的國內本土封測企業快速成長，生產經營規模較大，在技術水平上開始向國際先進水平靠攏。25家產業鏈相關單位組建了產學研合作“中國集成電路封測產業鏈技術創新聯盟”，建立高密度IC封裝技術國家工程實驗室，切入封測產業量廣面大、完全依賴進口或者是國外壟斷的技術創新項目課題立項，積極推進項目的組織實施和基礎管理工作，“大兵團作戰”發揮封測應用工程對整個產業鏈及關聯產業產生的輻射作用。

依據國際化戰略、品牌戰略的實施，BGA、CSP、MCP等新型封裝技術已在部分生產線應用。MIS、sQFN和FBP自主知識產權技術取得成功，基本掌握部分國際封測主流核心技術，如TSV、射頻SiP、圓片級三維再布線封裝、銅凸點互連、高密度FC-BGA封測、50μm以下超薄芯片三維堆疊封裝等先進技術，QFN系列產品方面品種齊全，并具有良好的生產經驗。MIS倒裝封裝技術可用于替代高成本BGA封裝，內腳密度達到25μm腳寬及25μm的腳間距，能夠將目前IC封裝主流技術QFN/DFN系列產品工藝提升至新水平，拓展至新領域，使產品實現小外形高密度，扇入扇出內外引腳互聯技術，可節約成本30%以上，并配合以基板為基礎的SiP封測服務，工藝制程方面取得突破性進展，同時與自主知識產權銅凸柱封裝結合堪稱完美，實現技術的轉型升級。

重大專項給力引領，自主創新搶占制高點，產業環境日臻完善，高密度BUMP實現產業化，先進封裝WLP成功起步，QFN/LQFP量產化進展迅速，MISPP技術獨創封裝巔峰之作，經過積極進取和艱苦努力，涌現出很多封裝創新技術與產品，并擁有自主知識產權，項目實施產業化取得一定進展，打造一流封測企業，推動了行業的技術更新，有力提升了企業的自主創新能力和核心競爭力。

3.2 國際封裝技術發展現狀

新型封裝材料與技術推動封裝發展，其重點直接放在削減生產供應鏈的成本方面，創新性封裝設計和制作技術的研發倍受關注，WLP設計與TSV技術以及多芯片和芯片堆疊領域的新技術、關鍵技術產業化開發呈井噴式增長態勢，推動高密度封測產業以前所未有的速度向著更長遠的目標發展。

3.2.1 3D封裝的主要類別及技術

3D封裝實際上是一種系統級集成結構，其中的TSV技術是芯片制造與封裝技術相融合的集成技術，可提高封裝密度，增強產品性能，提升速度，降低功耗和噪聲，實現電子設備的小型化和多功能化，設計自由度提高，研發時間縮短，可靠性更高。IMEC正與ITRS以及Jisso封裝標準集團共同制定基于電子供應鏈的4種3D分類標準：

（1）3D-SiP，采用傳統的引線鍵合進行芯片堆疊，即在第二層和第三層Jisso封裝層級實現3D互連，3D互連高度在1mm以內；

（2）3D-WLP，在IC鈍化層工藝完成之后，實現3D互連高度100μm以下；

（3）3D-SIC（堆疊-IC），在全局層級或中間層級的3D互連，其互連高度在1μm～10μm之間；

（4）3D-IC，在芯片連接層級實現3D互連，其高度1μm以下。

3D封裝改善了芯片的許多性能，如尺寸、重量、速度、產量及能耗，技術上有諸多優勢：

（1）在尺寸和重量方面，與單芯片封裝相比，采用3D技術可縮小封裝尺寸、減輕重量達40～50倍；

（2）在速度方面，3D互連長度更短，工作速度更快，寄生性電容和電感得以降低，系統的總功耗降低了30%左右；

（3）與2D封裝相比，3D技術的組裝效率約為2D的 200%；

（4）在芯片中，噪聲幅度和頻率主要受封裝和互連的限制，3D技術在降低噪聲中起著縮短互連長度的作用，同時也降低了互連伴隨的寄生性；

（5）隨著芯片尺寸的不斷縮小，3D技術可持續提高電路密度、性能，降低成本。

高密度3D封裝是為適應宇航、衛星、軍事、計算機、通信以及消費類系統的需求，近年來獲得迅速發展的新型封裝與組裝技術，最大限度地靈活應用各種芯片資源和封裝互連優勢，成為實現整機系統集成的必然趨勢。

3.2.2 SiP技術

SiP技術日趨產業化，以芯片為中心、無薄膜集成、有分離元件集成、需母板，繼承了傳統3D封裝形式，并使其多樣化；此外，整合了現有芯核資源和生產工藝優勢，降低了成本，縮短上市時間；同時克服了工藝兼容、信號混合、電磁干擾等困難，產品主要集中在高性能、低成本、便于攜帶的通信系統。

3.2.3 TSV集成技術

TSV集成技術是利用垂直硅通孔完成芯片間互連的方法，其連接距離更短、強度更高，可實現更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明顯減小的封裝，同時還能用于異種芯片之間的互連。TVS通孔集成按制作時間段分為先通孔、中通孔、后通孔、鍵合后通孔等四類，在存儲器堆疊、MEMS結構封裝、圖像傳感器中的應用發展迅速，銅-銅鍵合、金屬易熔鍵合、硅熔融鍵合、焊料鍵合等已成為3D集成和WLP的關鍵工藝之一。

3.2.4 MEMS器件WLP技術

MEMS（微電機系統）器件普遍具有懸浮、可動結構，也使得它有容易損壞、粘附潮氣和灰塵等不足，最終造成失效，工程化的應用要求提高MEMS器件的可靠性和長期穩定性，并同時要求減少封裝體積，降低封裝成本。圓片級封裝WLP是在制作MEMS器件的圓片上完成的封裝技術，利用圓片工藝進行封裝，實現低成本、批量化生產，所采取的方法就是在功能圓片加工完成后，再在上面對準后扣上一個圓片，相當于通過一次工藝就給功能圓片上的每個芯片戴上了一頂帽子，而作為帽子的圓片要具備一定的腔體，不能破壞MEMS可動結構。兩個圓片主要通過靜電鍵合、直接鍵合、共晶焊接或粘接等手段實現，根據不同的需求可實現氣密和真空封裝。

另一方面，MEMS器件與IC的集成化日益重要，但不是所有MEMS工藝都可以與CMOS工藝兼容，基于多層晶片鍵合的WLP以及3D垂直集成封裝的基礎，結合TSV技術，實現與IC的集成封裝，成為一個重要的發展趨勢。一些MEMS與其他芯片的3D集成封裝技術已經實用化，可以獲得集CPU、DSP、處理電路、制動器等為一體的微系統，解決因工藝兼容性問題不能單片集成的缺點。

4 封裝技術發展趨勢

從半導體技術的發展趨勢來看，高密度薄型化系統集成的MCP、SiP、WLP、TSV、3D封裝等代表著IC封測技術發展的主流方向，先進封裝技術與SiP是產業發展熱門話題，其封裝基板向更小尺寸發展，引腳數量進一步增多，引腳線寬/引腳間距更微細化，布線密度增大，芯片堆疊層數增加，原材料、設備、工藝技術難度更高都是其發展趨勢。

4.1 國內封裝技術趨勢

未來5～10年是國內IC產業發展極為關鍵的時期，封測業未來發展的潛力依然巨大，IC封測技術將適應設計業發展的需求，日益向短、小、輕、薄、高密度、高效率、高性能、低高度、多形式、系統化、系列化、集成化發展，融合芯片制造技術，并提升MCP和SiP成為實用技術，封裝與組裝進一步融合，各種QFN、MCM（多芯片組件）、MCP、BGA、CSP等中高端技術及產品在國內的市場需求明顯增強，還將呈現逐年上升的趨勢。

圍繞3D封裝、綠色封裝、封裝可靠性與測試、表面組裝與高密度互連、封裝基板制造、先進封裝設備、封裝材料、LED（發光二極管）封裝、新興封裝（MEMS/MOEMS）等技術是多個產業界和學術界關注的專題，尤其對MEMS封裝技術的研發持續高漲。封測產業鏈技術創新聯盟將繼續按照“以重大專項為先導，以市場帶動研發，以成果推動產業”的指導思想，提出“十二五”發展的關鍵技術、產品、項目，由封測龍頭企業根據封測業發展需要，結合裝備、材料業的實際，提出“十二五”先進封裝設備、材料的項目需求，積極推進共同開發，加快技術進步，實現重大產品、重大工藝和新興領域的突破，使整體技術水平與全球先進封裝技術保持同步，并實現批量生產。

據預測，未來5年IC產業結構將進一步得到優化，芯片的設計、制造、封測形成較為均衡的產業結構，其比重將依次分別為28%、35%、37%。封測業進入國際主流領域，實現SiP、倒裝芯片FC、BGA、CSP、MCP等新型封裝形式的規模生產能力。重點發展BGA、PGA、CSP、MCP、SiP先進封測技術，推動多疊層多芯片SiP、300mm/新型WLP、高性能CPU封裝、MIS、高密度TSV、汽車電子/MEMS封裝、BGA/CSP、高功率高導熱低成本封測工藝技術的開發。加強封測業的技術創新，重點支持SiP關鍵技術，推進超薄芯片封裝、超細節距封裝等封測工藝和設計技術開發，扶持TSV、銅互連、3D-SiP、傳感器封裝、IGBT封裝及產業化。

4.2 國外封裝技術趨勢

半導體技術路線圖不斷從質量、成本和小型化等方面對產品制定新的更高的要求，后摩爾定律的內涵是以“功能翻番”作為新的利潤增長點，追求異構器件/模塊集成、3D集成將成為主流，努力實現“功能翻番”和“尺寸縮小”以及“微結構”的復合發展，SiP是“后摩爾時代”的發展方向之一，開發集成微系統技術涉及微電子、光電子、MEMS、架構、算法等多學科交叉領域，極具技術發展前景和市場經濟效益。

3D集成被認為是下一代的封裝方案，現已提出多種方法，關注規模生產中的生產率和成本，無凸點WOW（晶圓堆疊晶圓）是繼芯片-芯片、芯片-晶圓技術后的第三代技術，在背面-正面堆疊任何數量的減薄300mm晶圓，自對準多TSV互連而不用凸點,能實現芯片對芯片的獨立連接，提高了晶圓級堆疊的總良率，可制定通向以生產成本支撐的高密度集成路線圖，其產出是以往的100倍。下一代3D制造中規模生產將采用芯片-晶圓技術，然后是WOW。

3D DRAM（動態隨機存取存儲器）封裝采用TSV/DRAM陣列堆疊技術，將4片或更多的DRAM核心芯片通過TVS堆疊，并與另外的外圍電路接口芯片一起鍵合到襯底上，從概念轉為生產，有望帶來優異的功率性能，封裝更小，并支持更高數據速率，成為未來工藝發展的趨勢。

CPU與存儲器的3D封裝是后摩爾時代的發展方向之一，3D封裝技術在解決MEMS（微機電）傳感器芯片的應用方面也扮演了關鍵性角色，在異質整合特性中，也可進一步整合模擬射頻、數字邏輯、存儲器、傳感器、混合信號、MEMS等各種組件，具備低成本、小尺寸、多功能、微功耗等多重優勢，MEMS的3D封裝發展備受關注，逐步走向商品化。

TSV發展迅速，被許多半導體廠商和研究機構認為是最有前途的封裝方法，國際上超過50%的廠商均參與3D TVS互連方面的研究，用于增加封裝密度，以TVS為主要互連方式的3D封裝結構，將在消費類電子、通信、網絡設備、機器人、生物醫學領域發揮重要作用。

WLP將向更高I/O數和引腳節距更小的方向發展，進一步發揮在尺寸、重量和電氣性能方面的優勢，為系統進一步集成提供了一個可能的途徑，代表著封裝技術的主流發展方向。

一些新型封裝材料和技術為創新型封裝設計鋪路領航，不斷改進產品性能。例如，引線框架/功率IC封裝使用的晶圓背部涂層技術、液態和粉末狀壓膜材料與壓膜技術、熱壓倒裝芯片（極細節距倒裝芯片、Su凸柱和Au凸點倒裝芯片的互聯），可改進焊接互連可靠性的環氧助焊技術、金屬化、芯片減薄及清洗、散熱及電路性能、嵌入式工藝、凸點技術等。在封裝劃片工藝及優化方面，用于低K薄晶圓劃片的多束全切割激光技術可獲得很窄的劃片切形、極小的熱效應區、很高的芯片強度值（典型值800MPa～1 000MPa），同時還能保證很高的生產效率，將使其在劃片工藝中得到廣泛應用。

5 結束語

IC封裝測試領域不斷表現出新的特征和趨勢，從國內IC產業規模來看，設計、芯片制造和封裝測試三業并舉，封裝在整個IC產業鏈中的重要性是毋庸置疑的，其比例逐步趨向合理協調發展，部分企業跨入國際先進水平，在SOP、PGA、BGA和CSP以及MCM等先進封裝形式的開發與應用方面嶄露頭角，其重要性有增無減，先進封裝產品的市場需求呈現強勁增長，重大專項給力引領，產業環境日臻完善，自主知識產權成為封測產業發展的主旋律，電子封裝技術研發任重而道遠。

［1］梁紅兵. 中國半導體創新產品和技術特刊[N]. 中國電子報.2010.

［2］童志義.后摩爾時代的封裝技術[J].電子工業專用設備，2010，5：1-5.

［3］鄧丹，吳豐順，周龍早，等.3D封裝及其最新研究進展[J].微納電子技術，2010，47（7）：443-450.

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［6］諸玲珍.中國半導體創新產品和技術特刊[N]. 中國電子報.2011.

［7］李映.全國集成電路行業工作會議特刊[N]. 中國電子報.2011.

［8］于燮康.聯合攻關完善本土IC封測產業鏈[N]. 中國電子報.2011.

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［10］李映.電子發展基金“十一五”成果特刊[N]. 中國電子報.2011.

Current Status and Development Trend of Electronic Packaging Technology

LONG Le
（Tiansheng Road205,1-208,Longquan,Chengdu610100,China）

The current IC wafer ling width characteristics is micronanoelectronic scale. The microminiaturization process of electronic products and electronic systems will depend on the advanced packaging technology .It has increasingly become a focus of the semiconductor industry. Novel packaging technology with larger market value around home and abroad in recent years are introduced. Basic structures and fabrication processes of some typical packaging are bescribed in detail. Furthermore, it is pointed out current status a nd development trend of packaging technology.In the recent years, endless varieties of packagings are proposed. It implements a new and higher level of packaging integration with higher assemble density,more strong features, better performance, smalles size, lower power consumption,faster speed, smaller delay, cost reduction,etc. Researches and process of packaging cannot be ignored. It has a great market potential and development in the days to come. Advanced packaging technology are forcing semiconductor industry access the More-than-Moore era.

high density packaging; 3D packaging; packaging technology; packaging structure;development trend

TN305.94

A

1681-1070（2012）01-0039-05

2011-08-15

龍 樂，原名韓樂芳，男，高級工程師，長期從事電子封裝技術研究工作，有大量學術論文發表。