4.电子封装技术发展现状及趋势

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收稿日期：2011-08-15

电子封装技术发展现状及趋势

龙 乐

（龙泉天生路205号1栋208室，成都 610100）

摘　要：现今集成电路晶圆的特征线宽进入微纳电子时代，而电子产品和电子系统的微小型化依赖先进电子封装技术的进步，封装技术已成为半导体行业关注的焦点之一。主要介绍了近年来国内外出现的有市场价值的封装技术，详细描述了一些典型封装的基本结构和组装工艺，并指出了其发展现状及趋势。各种封装方法近年来层出不穷，实现了更高层次的封装集成，因而封装具有更高的密度、更强的功能、更优的性能、更小的体积、更低的功耗、更快的速度、更小的延迟、成本不断降低等优势，其技术研究和生产工艺不可忽视，在今后的一段时间内将拥有巨大的市场潜力与发展空间，推动半导体行业进入后摩尔时代。

关键词：高密度封装；3D 封装；封装技术；封装结构；发展趋势

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2012）01-0039-05

Current Status and Development Trend of Electronic Packaging Technology

LONG Le

（Tiansheng Road 205,1-208, Longquan ,Chengdu 610100,China ）

Abstract: 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.

Key words: high density packaging; 3D packaging; packaging technology; packaging structure; development trend

1 引言

创新与变革是IC （集成电路）发展的主旋律，

“新摩尔定律”、“超摩尔定律”、“后摩尔定

律”等新概念引领IC 行业从追求工艺技术节点的时代，发展到转向投资市场应用及其解决方案，转向封装、混合信号、微系统、微结构、微组装等综合

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技术创新，转向与客户建立紧密战略联盟的大生态系统，转向更多地依赖于芯片封装技术发展的全新时代。封装已承担起越来越多的集成化、多元化、规模化功能，芯片的设计、制造和封装这三大环节直接互动更为频繁，其联系也更加密切，从DFM “可制造性设计”的基础上，提出DFP 、MFP 等全新标志性理念。由此可见，加快发展芯片封装技术的重要性、紧迫性是不言而喻的，并将为这一产业带来新的市场和机遇的对接，对半导体技术产业化具有强大的推动力。

2 封装产业发展现状

国内封装产业随半导体市场规模快速增长，与此同时，IC 设计、芯片制造和封装测试三业的格局也正不断优化，形成了三业并举、协调发展的格局。作为半导体产业的重要部分，封装产业及技术在近年来稳定而高速地发展，特别是随着国内本土封装企业的快速成长和国外半导体公司向国内转移封装测试业务，其重要性有增无减，仍是IC 产业强项。

境外半导体制造商以及封装代工业纷纷将其封装产能转移至中国，近年来，飞思卡尔、英特尔、意法半导体、英飞凌、瑞萨、东芝、三星、日月光、快捷、国家半导体等众多国际大型半导体企业在上海、无锡、苏州、深圳、成都、西安等地建立封测基地，全球前20大半导体厂商中已有14家在中国建立了封测企业，长三角、珠三角地区仍然是封测业者最看好的地区，拉动了封装产业规模的迅速扩大。另一方面，国内芯片制造规模的不断扩大，也极大地推动封装产业的高速成长。为了降低成本，近年来许多封测企业选择中西部地区新建工厂。英特尔成都封测厂拥有国际最先进的晶圆预处理流程技术，制造周期可缩短30%～50%，英特尔全球50%以上的处理器都出自成都工厂。一部分集成器件制造商及封测代工企业将产能转移至中西部地区，这种趋势将会持续数年。

尽管如此，IC 产业仍喜忧参半。在2010年，国内IC 市场规模扩大到7 350亿元，其产业规模与市场规模之比始终未超过20%，如扣除接受境外委托代工的销售额，则实际国内自给率还不足10%，IC 已连续多年超过石油和钢铁进口额的总和，成为国内最大宗的进口商品。美欧日韩等凭借技术领先战略，主导着产业和技术发展方向，CPU 、存储器、微控制器、数字信号处理器等量大面广的通用IC 产品基本依赖进口。国内IC 设计、制造、封测在核心技术与产品的研发和商品化方面，其竞争实力有待进一步加强。在超大规模IC 方面，需要对封装、引线精密制造、芯片引线键合、材料选择、结构设计和冷却手段等进行技术创新。封装环节技术竞争是以市场规模化为主的，目前，国内整个IC 产业还属于幼嫩时期，产业规模小，竞争力弱，抵御市场波动能力差，政产学研用相结合的原创新体系尚未建立，多渠道的投融资环境尚未形成，封测产业也毫不例外，与国际先进水平相比仍有近10年差距。在整体产业化技术水平上，国内封测业仍以DIP （双列直插封装）、SOP （小外形封装）、QFP （四边引脚扁平封装）等传统的中低端封装形式为主，近年来企业销售量大幅增长，有多家企业封装能力达数十亿块，但销售额却停滞不前，效益大幅下滑，技术水平参差不齐，趋于同质化竞争，主要体现在市场、技术、成本、资金、人才等方面。产业链不够完善，难以满足国内设计和芯片制造发展的要求，需要持续稳步扩大产业规模，加强技术创新，加快产品结构调整，加速人才培育，加大对外合作交流。

3 封装技术发展现状

ITRS （国际半导体技术路线图组织）针对半导体产业发展的挑战，提出“新摩尔定律”概念的基本内涵是功能翻番，为IC 芯片和封装带来了层出不穷的创新空间。随着封装技术的不断发展， MCP 、SiP 、SoP 、PoP 、SCSP 、SDP 、WLP 等封装结构成为主流，并为趋于Z 方向封装发展的3D （三维）集成封装、TVS （硅通孔）集成等技术研发奠定了坚实的基础，可解决芯片技术发展的一些瓶颈问题，有可能引发半导体技术发展方式的根本性改变。3.1 国内封装技术发展现状

经过企业积极进取和艰苦努力，引进、消化吸收国外先进封装技术以及多年的技术沉淀与持续研发，封装产业近年来涌现出很多半导体创新产品和技术，通过行业顶级评选、参与国家科技重大专项实施、封装测试技术与市场专题研讨会、中国半导体市场年会等活动，可以从中管窥封装技术发展现状。

以技术创新性为代表的国内本土封测企业快

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速成长，生产经营规模较大，在技术水平上开始向国际先进水平靠拢。25家产业链相关单位组建了产学研合作“中国集成电路封测产业链技术创新联盟”，建立高密度IC 封装技术国家工程实验室，切入封测产业量广面大、完全依赖进口或者是国外垄断的技术创新项目课题立项，积极推进项目的组织实施和基础管理工作，“大兵团作战”发挥封测应用工程对整个产业链及关联产业产生的辐射作用。

依据国际化战略、品牌战略的实施，BGA 、CSP 、MCP 等新型封装技术已在部分生产线应用。MIS 、sQFN 和FBP 自主知识产权技术取得成功，基本掌握部分国际封测主流核心技术，如TSV 、射频SiP 、圆片级三维再布线封装、铜凸点互连、高密度FC-BGA 封测、50μm 以下超薄芯片三维堆叠封装等先进技术，QFN 系列产品方面品种齐全，并具有良好的生产经验。MIS 倒装封装技术可用于替代高成本BGA 封装，内脚密度达到25μm 脚宽及25μm 的脚间距，能够将目前IC 封装主流技术QFN/DFN 系列产品工艺提升至新水平，拓展至新领域，使产品实现小外形高密度，扇入扇出内外引脚互联技术，可节约成本30%以上，并配合以基板为基础的SiP 封测服务，工艺制程方面取得突破性进展，同时与自主知识产权铜凸柱封装结合堪称完美，实现技术的转型升级。

重大专项给力引领，自主创新抢占制高点，产业环境日臻完善，高密度BUMP 实现产业化，先进封装WLP 成功起步，QFN/LQFP 量产化进展迅速，MIS-PP 技术独创封装巅峰之作，经过积极进取和艰苦努力，涌现出很多封装创新技术与产品，并拥有自主知识产权，项目实施产业化取得一定进展，打造一流封测企业，推动了行业的技术更新，有力提升了企业的自主创新能力和核心竞争力。3.2 国际封装技术发展现状

新型封装材料与技术推动封装发展，其重点直接放在削减生产供应链的成本方面，创新性封装设计和制作技术的研发倍受关注，WLP 设计与TSV 技术以及多芯片和芯片堆叠领域的新技术、关键技术产业化开发呈井喷式增长态势，推动高密度封测产业以前所未有的速度向着更长远的目标发展。3.2.1 3D 封装的主要类别及技术

3D 封装实际上是一种系统级集成结构，其中的TSV 技术是芯片制造与封装技术相融合的集成技术，可提高封装密度，增强产品性能，提升速度，降低

功耗和噪声，实现电子设备的小型化和多功能化，设计自由度提高，研发时间缩短，可靠性更高。IMEC 正与ITRS 以及Jisso 封装标准集团共同制定基于电子供应链的4种3D 分类标准：

（1）3D-SiP ，采用传统的引线键合进行芯片堆叠，即在第二层和第三层Jisso 封装层级实现3D 互连，3D 互连高度在1mm 以内；

（2）3D-WLP ，在IC 钝化层工艺完成之后，实现3D 互连高度100μm 以下；

（3）3D-SIC （堆叠-IC ），在全局层级或中间层级的3D 互连，其互连高度在1μm ～10μm 之间；

（4）3D-IC ，在芯片连接层级实现3D 互连，其高度1μm 以下。

3D 封装改善了芯片的许多性能，如尺寸、重量、速度、产量及能耗，技术上有诸多优势：

（1）在尺寸和重量方面，与单芯片封装相比，采用3D 技术可缩小封装尺寸、减轻重量达40～50倍；

（2）在速度方面，3D 互连长度更短，工作速度更快，寄生性电容和电感得以降低，系统的总功耗降低了30%左右；

（3）与2D 封装相比，3D 技术的组装效率约为2D 的 200％；

（4）在芯片中，噪声幅度和频率主要受封装和互连的限制，3D 技术在降低噪声中起着缩短互连长度的作用，同时也降低了互连伴随的寄生性；

（5）随着芯片尺寸的不断缩小，3D 技术可持续提高电路密度、性能，降低成本。

高密度3D 封装是为适应宇航、卫星、军事、计算机、通信以及消费类系统的需求，近年来获得迅速发展的新型封装与组装技术，最大限度地灵活应用各种芯片资源和封装互连优势，成为实现整机系统集成的必然趋势。3.2.2 SiP 技术

SiP 技术日趋产业化，以芯片为中心、无薄膜集成、有分离元件集成、需母板，继承了传统3D 封装形式，并使其多样化；此外，整合了现有芯核资源和生产工艺优势，降低了成本，缩短上市时间；同时克服了工艺兼容、信号混合、电磁干扰等困难，产品主要集中在高性能、低成本、便于携带的通信系统。

3.2.3 TSV 集成技术

TSV 集成技术是利用垂直硅通孔完成芯片间互

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连的方法，其连接距离更短、强度更高，可实现更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明显减小的封装，同时还能用于异种芯片之间的互连。TVS 通孔集成按制作时间段分为先通孔、中通孔、后通孔、键合后通孔等四类，在存储器堆叠、MEMS 结构封装、图像传感器中的应用发展迅速，铜-铜键合、金属易熔键合、硅熔融键合、焊料键合等已成为3D 集成和WLP 的关键工艺之一。3.2.4 MEMS 器件WLP 技术

MEMS （微电机系统）器件普遍具有悬浮、可动结构，也使得它有容易损坏、粘附潮气和灰尘等不足，最终造成失效，工程化的应用要求提高MEMS 器件的可靠性和长期稳定性，并同时要求减少封装体积，降低封装成本。圆片级封装WLP 是在制作MEMS 器件的圆片上完成的封装技术，利用圆片工艺进行封装，实现低成本、批量化生产，所采取的方法就是在功能圆片加工完成后，再在上面对准后扣上一个圆片，相当于通过一次工艺就给功能圆片上的每个芯片戴上了一顶帽子，而作为帽子的圆片要具备一定的腔体，不能破坏MEMS 可动结构。两个圆片主要通过静电键合、直接键合、共晶焊接或粘接等手段实现，根据不同的需求可实现气密和真空封装。

另一方面，MEMS 器件与IC 的集成化日益重要，但不是所有MEMS 工艺都可以与CMOS 工艺兼容，基于多层晶片键合的WLP 以及3D 垂直集成封装的基础，结合TSV 技术，实现与IC 的集成封装，成为一个重要的发展趋势。一些MEMS 与其他芯片的3D 集成封装技术已经实用化，可以获得集CPU 、DSP 、处理电路、制动器等为一体的微系统，解决因工艺兼容性问题不能单片集成的缺点。

4 封装技术发展趋势

从半导体技术的发展趋势来看，高密度薄型化系统集成的MCP 、SiP 、WLP 、TSV 、3D 封装等代表着IC 封测技术发展的主流方向，先进封装技术与SiP 是产业发展热门话题，其封装基板向更小尺寸发展，引脚数量进一步增多，引脚线宽/引脚间距更微细化，布线密度增大，芯片堆叠层数增加，原材料、设备、工艺技术难度更高都是其发展趋势。 4.1 国内封装技术趋势

未来5～10年是国内IC 产业发展极为关键的时期，封测业未来发展的潜力依然巨大，IC 封测技术将适应设计业发展的需求，日益向短、小、轻、薄、高密度、高效率、高性能、低高度、多形式、系统化、系列化、集成化发展，融合芯片制造技术，并提升MCP 和SiP 成为实用技术，封装与组装进一步融合，各种QFN 、MCM （多芯片组件）、MCP 、BGA 、CSP 等中高端技术及产品在国内的市场需求明显增强，还将呈现逐年上升的趋势。

围绕3D 封装、绿色封装、封装可靠性与测试、表面组装与高密度互连、封装基板制造、先进封装设备、封装材料、LED （发光二极管）封装、新兴封装（MEMS/MOEMS ）等技术是多个产业界和学术界关注的专题，尤其对MEMS 封装技术的研发持续高涨。封测产业链技术创新联盟将继续按照“以重大专项为先导，以市场带动研发，以成果推动产业”的指导思想，提出“十二五”发展的关键技术、产品、项目，由封测龙头企业根据封测业发展需要，结合装备、材料业的实际，提出“十二五”先进封装设备、材料的项目需求，积极推进共同开发，加快技术进步，实现重大产品、重大工艺和新兴领域的突破，使整体技术水平与全球先进封装技术保持同步，并实现批量生产。

据预测，未来5年IC 产业结构将进一步得到优化，芯片的设计、制造、封测形成较为均衡的产业结构，其比重将依次分别为28%、35%、37%。封测业进入国际主流领域，实现SiP 、倒装芯片FC 、BGA 、CSP 、MCP 等新型封装形式的规模生产能力。重点发展BGA 、PGA 、CSP 、MCP 、SiP 先进封测技术，推动多叠层多芯片SiP 、300mm/新型WLP 、高性能CPU 封装、MIS 、高密度TSV 、汽车电子/MEMS 封装、BGA/CSP 、高功率高导热低成本封测工艺技术的开发。加强封测业的技术创新，重点支持SiP 关键技术，推进超薄芯片封装、超细节距封装等封测工艺和设计技术开发，扶持TSV 、铜互连、3D-SiP 、传感器封装、IGBT 封装及产业化。4.2 国外封装技术趋势

半导体技术路线图不断从质量、成本和小型化等方面对产品制定新的更高的要求，后摩尔定律的内涵是以“功能翻番”作为新的利润增长点，追求异构器件/模块集成、3D 集成将成为主流，努力实现“功能翻番”和“尺寸缩小”以及“微结构”的复合发展，SiP 是“后摩尔时代”的发展方向之一，开发集成微系统技术涉及微电子、光电子、MEMS 、架

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构、算法等多学科交叉领域，极具技术发展前景和市场经济效益。

3D 集成被认为是下一代的封装方案，现已提出多种方法，关注规模生产中的生产率和成本，无凸点WOW （晶圆堆叠晶圆）是继芯片-芯片、芯片-晶圆技术后的第三代技术，在背面-正面堆叠任何数量的减薄300mm 晶圆，自对准多TSV 互连而不用凸点,能实现芯片对芯片的独立连接，提高了晶圆级堆叠的总良率，可制定通向以生产成本支撑的高密度集成路线图，其产出是以往的100倍。下一代3D 制造中规模生产将采用芯片-晶圆技术，然后是WOW 。

3D DRAM （动态随机存取存储器）封装采用TSV/DRAM 阵列堆叠技术，将4片或更多的DRAM 核心芯片通过TVS 堆叠，并与另外的外围电路接口芯片一起键合到衬底上，从概念转为生产，有望带来优异的功率性能，封装更小，并支持更高数据速率，成为未来工艺发展的趋势。

CPU 与存储器的3D 封装是后摩尔时代的发展方向之一，3D 封装技术在解决MEMS （微机电）传感器芯片的应用方面也扮演了关键性角色，在异质整合特性中，也可进一步整合模拟射频、数字逻辑、存储器、传感器、混合信号、MEMS 等各种组件，具备低成本、小尺寸、多功能、微功耗等多重优势， MEMS 的3D 封装发展备受关注，逐步走向商品化。

TSV 发展迅速，被许多半导体厂商和研究机构认为是最有前途的封装方法，国际上超过50%的厂商均参与3D TVS 互连方面的研究，用于增加封装密度，以TVS 为主要互连方式的3D 封装结构，将在消费类电子、通信、网络设备、机器人、生物医学领域发挥重要作用。

WLP 将向更高I/O 数和引脚节距更小的方向发展，进一步发挥在尺寸、重量和电气性能方面的优势，为系统进一步集成提供了一个可能的途径，代表着封装技术的主流发展方向。

一些新型封装材料和技术为创新型封装设计铺路领航，不断改进产品性能。例如，引线框架/功率IC 封装使用的晶圆背部涂层技术、液态和粉末状压膜材料与压膜技术、热压倒装芯片（极细节距倒装芯片、Su 凸柱和Au 凸点倒装芯片的互联），可改进焊接互连可靠性的环氧助焊技术、金属化、芯片减薄及清洗、散热及电路性能、嵌入式工艺、凸点技术等。在封装划片工艺及优化方面，用于低K 薄晶圆划片的多束全切割激光技术可获得很窄的划片切

形、极小的热效应区、很高的芯片强度值（典型值800MPa~1 000MPa ），同时还能保证很高的生产效率，将使其在划片工艺中得到广泛应用。

5 结束语

IC 封装测试领域不断表现出新的特征和趋势，从国内IC 产业规模来看，设计、芯片制造和封装测试三业并举，封装在整个IC 产业链中的重要性是毋庸置疑的，其比例逐步趋向合理协调发展，部分企业跨入国际先进水平，在SOP 、PGA 、BGA 和CSP 以及MCM 等先进封装形式的开发与应用方面崭露头角，其重要性有增无减，先进封装产品的市场需求呈现强劲增长，重大专项给力引领，产业环境日臻完善，自主知识产权成为封测产业发展的主旋律，电子封装技术研发任重而道远。参考文献：

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［10］李映.电子发展基金“十一五”成果特刊[N]. 中国电

子报.2011.作者简介：

龙 乐，原名韩乐芳，男，高级工程师，长期从事电子封装技术研究工作，有大量学术论文发表。