半導體制造后半段的重要一環，如何才能被成為先進封裝？

先進封裝技術是超越摩爾定律的重要賽道。目前對于集成電路的發展， 行業內主要有兩個主流方向。一是延續摩爾定律，以提升單個芯片性能 為目標，在晶體管縮放技術上進行進一步探索，例如采用 FinFET、GAA 等工藝。二是超越摩爾定律，先進封裝技術就為其中的一條重要賽道， 以提升系統性能為目標，將多個不同性能的芯片集成在一個系統內，通 過成本可控的系統級芯片系統來提升整體的性能和功能。

封裝測試位于產業鏈的中下游，是整個集成電路產業鏈的重要一環。集成電路行業產業鏈大致可以分為芯片設計、晶圓制造、封裝測試三大部 分。其中封裝測試行業位于整個產業鏈的中下游，包含了封裝和測試兩 個環節。封裝是指將芯片制造過程中，將芯片在基板上布局、固定與連 接，然后使用絕緣介質封裝的過程。傳統封裝主要有四個作用：1）保護： 封裝可以保護芯片免受損傷且便于運輸。2）散熱：保證了芯片的散熱性 能，使其可以在更高溫度環境下工作。3）電信號傳遞：通過封裝實現芯 片與系統之間的信號傳輸以及電源供應。4）尺寸調整：封裝可以將芯片 的細引線間距，調整到實裝基板的尺寸間距。

全球先進封裝向東亞轉移，2025 年大陸市場規模將達千億元

全球先進封裝趨勢經歷了從歐美向東亞轉移的過程。2009 年歐洲廠商 英飛凌、恩智浦推出 FOWLP（扇出型晶圓級封裝），FOWLP 為早期的 先進封裝形式，但至今仍在手機 5G、AI 等領域發揮作用。此后，隨著 東亞地區如三星、臺積電等廠商代工業務的崛起，東亞廠商紛紛進行先 進封裝技術的研發，如臺積電在 2016 年推出 INFO（集成扇出封裝）工 藝，其中 InFO_PoP 主要用于移動平臺，例如手機手表，InFO_L 應用 于部分蘋果高端電腦處理器，例如 M1 Ultra，InFO_oS 專注于 HPC 客 戶。2020 年以來，臺積電和三星分別推出 SoIC 和 X-Cube 技術，將先 進封裝向三維集成方向推進。

大陸封測市場 25 年將達 3500 億人民幣，先進封裝增長迅速。近些年， 我國半導體產業在政策大力支持、技術水平持續進步的基礎上，國產替 代開始加速，相對半導體設計與制造而言，封測行業技術壁壘較低，實 現了較高程度的國產化。根據 Frost & Sullivan 數據，中國大陸封測市場 規模由 2016 年的 1564.3 億元增長至 2020 年的 2509.5 億元，年均復 合增長率達 12.54%，預測 2025 年中國大陸封測市場規模將達到 3551.9 億元。從封測業務收入結構上來看，中國大陸封測市場仍然以傳統封裝 業務為主，但隨著新一代信息技術領域快速發展，新興應用場景對半導 體產品的性能、功耗等要求提升，半導體產品紛紛從傳統封裝向先進封 裝轉變，先進封裝市場需求將維持較高速的增長。數據顯示，中國先進 封裝行業市場規模由 2016 年的 187.7 億元增長至 2020 年的 351.3 億 元，年均復合增長率達 16.96%，預測 2025 年中國大陸先進封裝市場規 模將達到 1136.6 億元。


先進封裝的四要素

先進封裝的四要素是指：RDL，TSV，Bump，Wafer，任何一款封裝，如果具備了四要素中的任意一個，都可以稱之為先進封裝。

在先進封裝的四要素中，RDL起著XY平面電氣延伸的作用，TSV起著Z軸電氣延伸的作用，Bump起著界面互聯和應力緩沖的作用，Wafer則作為集成電路的載體以及RDL和TSV的介質和載體。。


1、Bump

Bump是一種金屬凸點，從倒裝焊FlipChip出現就開始普遍應用了，Bump的形狀也有多種，最常見的為球狀和柱狀，也有塊狀等其他形狀，下圖所示為各種類型的Bump。

Bump起著界面之間的電氣互聯和應力緩沖的作用，從Bondwire工藝發展到FlipChip工藝的過程中，Bump起到了至關重要的作用。

隨著工藝技術的發展，Bump的尺寸也變得越來越小， Bump尺寸從最初 Standard FlipChip的100um發展到現在最小的5um。

那么，會不會有一天，Bump小到不再需要了呢？

確實有這種可能，TSMC發布的SoIC技術中，最鮮明的特點是沒有凸點（no-Bump）的鍵合結構，因此，該技術具有有更高的集成密度和更佳的運行性能。


4.RDL

RDL（ReDistribution Layer）重布線層，起著XY平面電氣延伸和互聯的作用。

在芯片設計和制造時，IO Pad一般分布在芯片的邊沿或者四周，這對于Bond Wire工藝來說自然很方便，但對于Flip Chip來說就有些勉為其難了。

因此，RDL就派上用場了，在晶元表面沉積金屬層和相應的介質層，并形成金屬布線，對IO 端口進行重新布局，將其布局到新的，占位更為寬松的區域，并形成面陣列排布，如下圖所示。

在先進封裝的FIWLP (Fan-In Wafer Level Package) ，FOWLP (Fan-Out Wafer Level Package) 中，RDL是最為關鍵的技術，通過RDL將IO Pad進行扇入Fan-In或者扇出Fan-Out，形成不同類型的晶圓級封裝。

在2.5D IC集成中，除了硅基板上的TSV，RDL同樣不可或缺，通過RDL將網絡互聯并分布到不同的位置，從而將硅基板上方芯片的Bump和基板下方的Bump連接。

在3D IC集成中，對于上下堆疊是同一種芯片，通常TSV就可以直接完成電氣互聯功能了，而堆疊上下如果是不同類型芯片，則需要通過RDL重布線層將上下層芯片的IO進行對準，從而完成電氣互聯。

隨著工藝技術的發展，通過RDL形成的金屬布線的線寬和線間距也會越來越小，從而提供更高的互聯密度。


5. Wafer

Wafer晶圓在當今半導體行業具有廣泛的用途，既可以作為芯片制造的基底，也可以在Wafer上制作硅基板實現2.5D集成，同時可用于WLP晶圓級封裝，作為WLP的承載晶圓。

Wafer最初僅用在芯片制造上，作為集成電路生產的載體，在Wafer上進行光刻、刻蝕、氣相沉積、離子注入、研磨等工序，反復操作，精密控制，最終制造出集成電路芯片。

隨著先進封裝技術的快速發展，Wafer的用途也變得越來越廣泛。

傳統封裝是先進行裸芯片的切割分片，然后進行封裝，而晶圓級封裝WLP是在Wafer基礎上先封裝，然后切割分片。這就提高了封裝效率，節省了成本，從而得到了廣泛的應用。

隨著技術的發展，Bump和RDL會變得越來越細小，Bump甚至最終會消失，而Wafer則會變得越來越大，從早先的6英寸到8英寸到現在普遍應用的12英寸以及將來要廣泛應用的18英寸，都體現了這樣的特點，如下圖所示。

晶圓尺寸越大，同一圓片上可生產的IC就越多，可降低成本，提高效率，但對材料技術和生產技術的要求也會更高。

從FIWLP、FOWLP到2.5D集成、3D集成，基本都是在Wafer基礎上進行的。


6.TSV

TSV（Through Silicon Via ）硅通孔，其主要功能是Z軸電氣延伸和互聯的作用。

TSV按照集成類型的不同分為2.5D TSV和3D TSV，2.5D TSV是指的位于硅轉接板Inteposer上的TSV，3D TSV 是指貫穿芯片體之中，連接上下層芯片的TSV，如下圖所示。

TSV的制作可以集成到生產工藝的不同階段，通常放在晶元制造階段的叫 Via-first，放在封裝階段的叫Via-last。

將TSV在晶圓制造過程中完成，此類硅通孔被稱作Via-first。Via-first TSV又可分為兩種階段，一種是在Foundry廠前端金屬互連之前進行，實現core-to-core的連接。該方案目前在微處理器等高性能器件領域研究較多，主要作為SoC的替代方案。另外一種是在CMOS完成之后再進行TSV的制作，然后完成器件制造和后端的封裝。

將TSV放在封裝生產階段，通常被稱作Via-last，該方案可以不改變現有集成電路流程和設計。目前，業界已開始在高端的Flash和DRAM領域采用Via-last技術,即在芯片的周邊進行硅通孔TSV制作，然后進行芯片或晶圓的層疊。

TSV的尺寸范圍比較大，大的TSV直徑可以超過100um，小的TSV直徑小于1um。

隨著工藝水平的提升，TSV可以做的越來越小，密度也越來越大，目前最先進的TSV工藝，可以在芝麻粒大小的1平方毫米硅片上制作高達10萬~100萬個TSV。和Bump以及RDL類似，TSV的尺寸也會隨著工藝的提高變得越來越小，從而支撐更高密度的互聯。


現有先進封裝技術

封裝技術的定義為，在半導體開發的最后階段，將一小塊材料（硅晶芯片，邏輯和存儲器）包裹在支撐外殼中，以防止物理損壞和腐蝕，并允許芯片連接到電路板的工藝技術。

典型的封裝配置包括1980年代的無引線芯片載體和引腳柵格陣列、2000年代的系統級封裝和PoP封裝（package-on-package），以及最近的2.5D及3D集成電路技術，例如晶圓級封裝、倒裝芯片封裝和硅通孔技術。


1、晶圓級封裝WLP

所謂晶圓級封裝（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），可以實現最短的電路徑，這也保證了更高的速度和更少的寄生效應。另一方面，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是用掩模工藝進行的加成和減法的步驟。

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，最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，以形成最終封裝。

扇出式WLP可根據工藝過程分為芯片先上（DieFirst）和芯片后上（DieLast）,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Fanout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最薄的手機。最新型號的iPhone采用了超過50顆WLP，智能手機是WLP發展的最大推動力。

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。最近幾年中，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、2.5D與3D集成

現有的2D集成電路倒裝芯片和晶圓級封裝技術在過去五年中已經顯示出了穩健的增長，并且在許多主流應用中得到了廣泛使用，主要是高端智能手機和平板設備，這些設備必須滿足尺寸和電源管理的嚴格要求。

倒裝芯片封裝技術主要包括在制造的晶圓的頂側上施加焊接凸點（bump），然后集成電路可以翻轉并與外部電路上的焊點對齊達到連接。這種封裝形式占有的空間更少，并且提供了更高的輸入/輸出速率，因為芯片的整個表面區域都可以用于互聯，而不像傳統的引線鍵合方法中只有外部邊緣才用來連接。

在晶圓級封裝中，集成電路還在硅工藝階段就已經實現了封裝，這意味著封裝尺寸與芯片尺寸相同并且制造工藝流線化，這是因為導電層和焊料凸點在切片之前就已經形成了。

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。通過使用內插器（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，并且內插器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/測試廠商仍然最適合處理后端過程，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。

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，與傳統包裝相比，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。

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。


最后

先進封裝，特別是高端性能封裝將依賴于克服將多個裸片放置在同一封裝中、提高裸片之間的間距、互連密度和帶寬方面的挑戰。因此，該行業正在尋求異質集成和混合鍵合，同時也在研究具有成本效益和改進性能的新材料以及 CPO 等新技術，以將先進封裝提升到一個新的水平，以滿足下一代的性能需求。