摩爾定律走到盡頭后，廠商們開始卷封裝了

我們總能從各種渠道看到硅片的模樣，那散發(fā)著五彩光芒的硅晶圓仿佛在向世界訴說著埋在晶圓表面下面那幾十億個(gè)晶體管的故事。然而我們?nèi)粘？吹降?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87/">芯片并不是這樣子的。它們有的連接著密集的銀白色針腳，有的就是一塊純黑色的方塊一樣趴在PCB板上。其實(shí)芯片原本的樣子沒有變，它們只是被“放”在了保護(hù)殼里。放在保護(hù)殼里的這個(gè)過程，就是芯片封裝。

別小看封裝這個(gè)過程，它與芯片在最終使用階段時(shí)的體積大小和穩(wěn)定性息息相關(guān)。尤其是目前芯片制程逐漸達(dá)到技術(shù)瓶頸，摩爾定律已經(jīng)不能完全描述集成電路技術(shù)進(jìn)步，要想讓芯片在工藝層面用更小的體積獲得更好的性能，成本逐漸增高。在智能手表、高性能移動(dòng)設(shè)備普及的今天，曾經(jīng)的“大老粗”芯片早已無法適應(yīng)今天的使用環(huán)境，先進(jìn)封裝或成為繞開摩爾定律的關(guān)鍵。

本文中，與非網(wǎng)將帶你認(rèn)識(shí)封裝技術(shù)的發(fā)展，以及了解封裝技術(shù)的未來展望。

為什么要封裝？

其實(shí)，要弄懂芯片封裝技術(shù)的變遷，只要了解為什么需要封裝。

所謂封裝就是把集成電路裝配為芯片最終產(chǎn)品的過程，對(duì)于芯片來說，封裝是必須的，也是至關(guān)重要的。

第一點(diǎn)，晶片需要保護(hù)。芯片電路非常微小也十分脆弱，封裝可以有效保護(hù)芯片表面以及內(nèi)部電路免受外界損害以及干擾。此外，封裝還可以緩解內(nèi)部芯片與外部基板之間的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的應(yīng)力，用來防止芯片損壞。

第二點(diǎn)，芯片與基板之間需要建立電氣連接。芯片對(duì)外接腳往往是亞微米級(jí)別的，而外部引腳可達(dá)上百微米，封裝在這里起著由小到大、由難到易、由復(fù)雜到簡單的變換作用，從而可使操作費(fèi)用及材料費(fèi)用降低，而且能提高工作效率和可靠性。

第三點(diǎn)，芯片需要標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。標(biāo)準(zhǔn)化的芯片，有著固定的尺寸、形狀、引腳數(shù)量等參數(shù)，便于配合印刷電路板，且生產(chǎn)設(shè)備通用，可進(jìn)行流水線制造。

總的來說，芯片封裝有著保護(hù)芯片，連接基板，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。封裝技術(shù)的迭代也基于這幾點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)革新。

芯片封裝，從“毛毛蟲”到“小而美”

從應(yīng)用的角度看，好的封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更小的體積，更快的速度，以及更多的觸點(diǎn)。早期封裝的變化過程，就是體積的變小史。

集成電路剛剛誕生的六七十年代，人們對(duì)于芯片的印象往往是寬大的引腳，細(xì)長的形狀，其實(shí)這就是芯片最早的封裝方式，即DIP（Dual In-line Package）雙列直插式封裝，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路都采用這種封裝形式。它通常采用長方形外形，兩側(cè)有并排的金屬針腳。最早的DIP包裝元件是由飛兆半導(dǎo)體（Fairchild）公司的Bryant Buck Rogers在1964年時(shí)發(fā)明，首個(gè)元件有14個(gè)引腳，采用此類封裝的半導(dǎo)體元件可以接在印刷電路板電鍍的貫穿孔中，或是插入在DIP插座（socket）上。早期芯片，例如8086、8088等CPU都采用了DIP封裝。不過這種技術(shù)密度、頻率難以提高，無法滿足高效自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，且芯片面積與封裝面積的比值較大，體積也很大。

DIP封裝 ?圖源：維基百科

更多的觸點(diǎn)永遠(yuǎn)是芯片封裝技術(shù)追求的目標(biāo)。80年代開始，DIP封裝的兩排針腳已經(jīng)不能滿足芯片與外界交流的需求，SMT表面貼裝時(shí)代到來讓芯片封裝有了更多發(fā)揮空間。SMT技術(shù)是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件安裝在印制電路板的表面或其它基板的表面上，通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術(shù)。SMT工藝包括絲印、點(diǎn)膠、貼裝、固化、回流焊接、清洗、檢測(cè)等步驟。相比前代封裝技術(shù)，SMT組裝密度更高，體積更小，重量更輕。

SOP（Small Out-Line Package小外形封裝）封裝是一種常見的表面貼裝形式，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀或L狀。SOP與DIP封裝的外表很像，從功能上也是沒有區(qū)別的，只是在芯片焊接階段，由于SOP引腳小，焊接難度會(huì)比DIP大一點(diǎn)，不過SOP的價(jià)格相比DIP也便宜一點(diǎn)。SOP封裝還逐漸派生出了許多其他的封裝類型，例如SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、TSSOP（薄的縮小型SOP）等。

QFP封裝，中文含義叫方型扁平式封裝技術(shù)（Quad Flat Package），該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的CPU芯片引腳之間距離很小，引腳很細(xì)，一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，引腳中心距離有1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm 等多種規(guī)格，總數(shù)一般都在100以上。QFP及其他派生封裝技術(shù)的可以更有效的利用空間，高度與體積都縮小了很多。

90年代面積陣列封裝出現(xiàn)。PGA、BGA等封裝技術(shù)逐一應(yīng)用，在縮減體積的同時(shí)提高了系統(tǒng)性能。

PGA（Pin Grid Array）插針網(wǎng)格陣列是一般用戶很熟悉的封裝形式，很多老款的CPU都采用PGA封裝，其最大的特點(diǎn)就是背面布滿針腳。這種類型的封裝底部布滿針腳，使用時(shí)需要將整塊芯片放置于對(duì)應(yīng)的卡座內(nèi)，不過缺點(diǎn)很明顯，就是容易“斷腳”，后來逐漸被針腳在PCB板上的平面網(wǎng)格陣列封裝LGA（Land grid array）替代。

BGA改良自PGA。BGA（Ball Grid Array）球柵陣列封裝是一種表面黏著封裝技術(shù)，相比DIP以及QFP封裝技術(shù)，BGA可以容納更多的接腳，整個(gè)裝置的底部表面可全作為接腳使用，而不是只有周圍可用，比起QFP等周圍限定的封裝類型還具有更短的平均導(dǎo)線長度與更好的高速效能，與TSOP相比，BGA具有更小的體積、更好的散熱和電學(xué)性能，并極大地提高了每平方英寸的存儲(chǔ)容量。因此由該技術(shù)實(shí)現(xiàn)封裝的CPU信號(hào)傳輸延遲小，適應(yīng)頻率可以提高很大。和PGA相比，BGA一般直接焊接在PCB板上，拆卸焊接需要專用的BGA修復(fù)臺(tái)，但價(jià)格也比PGA更便宜。

不同封裝的區(qū)別 ?圖源：SMT之家

從最開始的DIP封裝到CPU使用的BGA、LGA型封裝，我們可以明顯的看到芯片的體積在逐步縮小，與外界交換信息的針腳也在增多。然而這些封裝技術(shù)都不能擺脫wire bond的限制，也就讓芯片的功率上限較低，也難以承受超高頻率的運(yùn)算性能。21世紀(jì)的新封裝技術(shù)將解決這個(gè)問題。

封裝，不止關(guān)注體積

進(jìn)入21世紀(jì)后，移動(dòng)設(shè)備對(duì)于芯片的需求逐漸提升。芯片制程沿著摩爾定律快速發(fā)展，這同時(shí)也對(duì)封裝技術(shù)提出新的考驗(yàn)。為了進(jìn)一步提升芯片的整體性能，倒晶封裝技術(shù)Flip Chip出現(xiàn)（或稱覆晶封裝、倒裝芯片、controlled collapse chip connection、c4等）。以往封裝是將晶片置放于基板（chip pad）上，再用引線焊接（wire bond）將晶片與基板上的焊盤連接。Flip chip是先將晶片連接到凸塊（bump），然后將晶片翻轉(zhuǎn)過來使凸塊與基板（substrate）直接連結(jié)而得其名。Flip Chip與傳統(tǒng)wire bond封裝技術(shù)相比，晶片與基板的互連形式要方便的多，芯片焊盤位于芯片正下方，因此與基板之間連接路徑較短，能顯著提高電氣性能，更提高了I/O數(shù)量；芯片底部區(qū)域陣列焊接點(diǎn)的密度也更高，因此整顆芯片的尺寸能顯著縮小。此外，晶片倒裝后沒有引線的限制，芯片整體高度更低，外部散熱也可以直接作用于晶片之上。

Flip chip技術(shù)與其他封裝，例如BGA封裝技術(shù)并不是相互獨(dú)立的，應(yīng)用Flip chip技術(shù)的BGA同樣能有效降低芯片體積。

Flip chip 圖源：integra報(bào)告

Flip chip有著尺寸、I/O密度、傳輸性能、散熱能力以及生產(chǎn)效率等諸多優(yōu)點(diǎn)，不過先進(jìn)封裝也有更“先進(jìn)”的問題需要解決。

Flip chip技術(shù)面對(duì)的最大難題就是解決芯片翹曲，這在芯片超薄化后成為影響封裝良率的關(guān)鍵問題。Flip chip的組裝過程需要將芯片上的焊點(diǎn)與基板上的焊盤進(jìn)行對(duì)位，然后使用回流焊工藝在芯片和基板焊盤間形成焊球，再在芯片與基板間的空隙中填充底部填充膠（點(diǎn)膠），最終實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣連接。因此這個(gè)流程的第一步，焊點(diǎn)與焊盤的對(duì)應(yīng)十分重要。若芯片產(chǎn)生過大的翹曲會(huì)在組裝過程中導(dǎo)致錫球無法對(duì)接，出現(xiàn)開路。目前，采用新材料做基板可以有效降低熱膨脹系數(shù)，減小翹曲度。此外采用銅柱技術(shù)（CopperPillar）也可以進(jìn)一步縮小焊點(diǎn)間距。

隨著各種智能設(shè)備小型化的發(fā)展，要求作為終端的傳感器更便攜化、多功能化。因此，將更多功能集成于單個(gè)芯片內(nèi)成為降低體積、提升性能的高效方式。因此，疊層3D封裝出現(xiàn)了。

目前，芯片疊層共有三種形式：芯片與芯片的堆疊（Die to Die，D2D），芯片與晶片的堆疊（Die to Wafer，D2W），晶片與晶片的堆疊（Wafer to Wafer，W2W）。

D2D利用傳統(tǒng)的引線連接技術(shù)，將芯片在垂直方向上堆疊起來進(jìn)行封裝，應(yīng)用傳統(tǒng)的封裝技術(shù)即可解決。D2W則需要Flip chip技術(shù)來連接上下兩層。W2W的上下兩層之間通過直徑在10微米以下的硅通道相連接，這種技術(shù)也稱為TSV（Through silicon via）。與其他技術(shù)不同，TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度更大、外形尺寸更小，并且大大改善芯片速度和降低功耗，是目前3D芯片的主流發(fā)展方向。

TSV堆疊 ?圖源：中國集成電路報(bào)告

除了垂直封裝技術(shù)外，在同一個(gè)封裝腔體內(nèi)堆疊多個(gè)3D封裝也是一種技術(shù)方案。PIP（Package in Package）封裝內(nèi)封裝逐漸流行。目前該項(xiàng)技術(shù)主要用于SD卡、XD卡等儲(chǔ)存芯片的封裝上。

先進(jìn)封裝成為超越摩爾定律的關(guān)鍵賽道

目前，半導(dǎo)體業(yè)界逐漸意識(shí)到了制程不會(huì)無限縮小下去，晶體管也不可能無限增加下去。摩爾定律首先是一條經(jīng)濟(jì)上的定律，然后才是工程科學(xué)方面的定律。人們專注于提高芯片制造技術(shù)達(dá)到瓶頸之后，與之對(duì)應(yīng)的封裝技術(shù)發(fā)展也同樣慢了下來。封裝還是要回到原點(diǎn)，也就是文章開頭所提到的：為什么要封裝？什么才是好的封裝？

好的封裝，不僅能保護(hù)芯片，還具有更小的體積，以及更好的電氣性能。因此，封裝的發(fā)展面臨了三條路可以選擇：More Moore，More than Moore，Beyond Moore。

More Moore是沿著摩爾定律這條路一直走下去，鉆研更精細(xì)、更先進(jìn)的封裝方案，這也往往面臨著高昂的制造成本，也就是SoC的發(fā)展路徑。More than Moore則是繞過摩爾定律，采用其他技術(shù)達(dá)到同樣的更小、更先進(jìn)的目標(biāo)。Beyond Moore則需要超越現(xiàn)有芯片體系，或許只能在非硅基半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)。

就目前來說，More than Moore是一項(xiàng)最經(jīng)濟(jì)也最便捷的選擇。SiP（System In a Package）系統(tǒng)級(jí)封裝是目前芯片封測(cè)廠商的主流之選。它是一種是將多種功能晶圓，包括處理器、存儲(chǔ)器等功能晶圓根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、封裝基板層數(shù)等因素，集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整功能的封裝方案。

SiP封裝 ?圖源：知乎

SiP與SoC對(duì)比，兩者均將一個(gè)包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動(dòng)組件的系統(tǒng)，整合在一個(gè)單位中。而SIP則是從封裝角度出發(fā)，利用并排或疊加的方式，將不同制程的芯片集成在一起。我們知道，越高的制程也擁有越高的制造成本，SiP可以僅在關(guān)鍵模塊上使用高端制程，例如CPU、GPU等，在其他模塊上，例如WIFI、觸控模塊上使用成熟制程，這將極大的降低制造成本。

此外，SiP還將繞過PCB板載體，解決因?yàn)镻CB自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。存儲(chǔ)芯片和處理器之間也能做到更快速的數(shù)據(jù)交換，真正做到存算一體化。

寫在最后：

芯片封裝，已經(jīng)從剛起步時(shí)僅作為保護(hù)作用的外殼，成為今天提升芯片電氣性能，繞過摩爾定律發(fā)展的關(guān)鍵。后摩爾時(shí)代，芯片封裝技術(shù)將成為解鎖未來半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵。