先进封装技术的发展趋势

半导体

摘要：先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和材料的要求和挑战。在半导体封装外部形式变迁的基础上，着重阐述了半导体后端工序的关键一封装内部连接方式的发展趋势。分析了半导体前端制造工艺的发展在封装技术卜的反映。提出了目前和可预见的将来引线键合作为半导体封装内部连接的主流方式与高性能俪成本的倒装芯片长期共存，共同和硅片键合应用在SiP、MCM、3D等新型封装当中的预测。1 半导体封装外部形式的变迁
半导体前端制造工艺不断缩小的线宽、更高的集成密度、更大的硅片尺寸在后端封装上体现为封装的输入／输出数目不断增加，体积逐渐缩小和同一封装内的芯片数目持续增长。半导体的封装形式经历了从初期双列直插式(DIP：Dual In-line Package)到四边扁平封装(QFP：Quad Flat Package)，再到针格阵列(PGA：Pin Grid Array)、球格阵列(BGA：Ball Grid Array)和盘格阵列(LGA：Land Grid Array)，直至各种形式的芯片尺寸封装(CSP：Chip Scale／Size Package)和硅片级封装(WLP：Wafer Level Package)的发展过程(见图1)。在这一发展过程中，半导体封装的输入／输出由最初的沿封装两边的线性排列扩展为沿四边的排列，再进一步发展到封装的整个表面内的二维阵列。封装作为保证集成电路最终电气、光学、热学和机械性能的关键环节，随着芯片输入／输出密度不断加大、速度不断加快的趋势，技术难度不断提高，在半导体制造成本中所占的比例逐渐增加，已经成为制约半导体工业发展的瓶颈之一。

2 半导体封装内部连接方式的发展趋势
半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之问的输入／输出畅通的重要作用，足整个后端封装过程中的关键。封装的内部连接方式主要包括传统的引线键合(Wire Bonding)以及新必的倒装芯片(F1ip Chip)和硅片键合(Wafer Bonding)。
2．1 引线键合
引线键合以金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接(见图2)。引线键合从最初应用到现在已经有50年的历史，是最为成熟、应用最为广泛的封装内部连接方式。

2．2 倒装芯片
倒装芯片在芯片表面预先放置焊球(Bump)，翻转后面对面和封装焊接在一起(见图3)。倒装芯片代表着封装输入／输出数目不断增加，内部连接性能要求越来越高的形势下，电气连接由引线向焊球发展的趋势。这种趋势在封装以外的其它应用层次上(例如印刷线路板和芯片)也得到了充分的反映。

倒装：卷片的凸点(焊球)一般用半导体前端工艺的光刻及蒸发、电镀或丝网印刷的方式生成[1]。为了防止焊球金属(多为铅锡合金)对芯片电路的扩散，需要在产生凸点前在芯片表面制作球下金属层(UBM)进行隔离。图4显示了倒装芯片凸点制作的典型过程。首先用溅射生成UBM用的金属层，然后通过光刻、刻蚀去除多余的材料在凸点位置形成UBM。其后在UBM之上用蒸发、电镀或丝网印刷附着焊料，最后通过同流形成凸点。

凸点生成也可以采用引线键合机在硅片上直接附着金球的方式来完成(见图5)。普通引线键合工艺会在凸点顶部留下一段线尾，需要压平以便于后续的倒装焊。以金球作为凸点的芯片可以采用绝缘胶、各向异性导电胶(沿受压方向产生导电路径)、热压或热超声的方式与封装连接[2]。基于引线键合工艺的硅片凸点生成具有无需光刻掩模、UBM预制及焊锡／焊料(无铅污染)，导电性好，工艺简便灵活的优势。

2．3 硅片键合
集成电路不断增长的运行速度要求尽量缩短封装中芯片问的连接距离，持续缩小的封装尺寸促使芯片三维重叠结构的运用，生产效率的提高需要把单个芯片的连接上艺扩展到整个硅片卜进行。硅片键合工艺把多层圆片上下相连同时形成电气和机械连接以满足这些要求。硅片在键合前经过减薄处理以便有效地利用厚度空间。图6是通过硅片键合上下连接在一起的i层硅片的剖面图[3]。

常规的硅片键合方式包括扩散、共晶、阳极电解和中问层粘合。另外也存在常温、无电压的键合方式。
3 半导体前端制造工艺对封装技术的影响
半导体前端制造工艺的发展总是直接迅速地反应在后端生产技术上。图7显示了引线键合及倒装芯片的焊盘间距随半导体集成电路线宽的变化趋势[4]。集成电路的线宽将由目前的O．09μm不断缩小，在2008年达到0．057μm，直至2018年的0．018μm。与此相应，引线键合的焊盘间距将在同一段时问内从35μm减小到20μm而倒装芯片的焊盘问距也由150μm减小到70μm。焊盘间距随着前端线宽不断减小是半导体封装内部连接方式的重要发展趋势。同时，作为芯片到上一级(封装或印刷线路板)的连接方式，封装内部连接方式受连接对象物理尺寸的限制，其焊盘问距不象前端线宽一样持续缩小，而是存达到一定的临界值后不再显著变化。这又是封装技术不同于前端工艺的重要特性。

4 各种半导体封装内部连接方式的相互关系
引线键合与倒装芯片作为目前半导体封装内部两种代表性的连接方式，关于各自的发展趋势以及相互问的关系长时间以来产生了大量的讨论和预测。
毋庸置疑，倒装芯片代表着电气连接由引线向焊球发展的总趋势。倒装芯片方法形成的电气连接路径最短，相应的电阻、电感都较小，适合高性能集成电路的封装。然而倒装芯片和引线键合的关系并不是简单的前者在短时间内迅速全面取代后者。半导体行业内关于引线键合技术不久即将过时并被淘汰的预测已经存在十多年了，而引线键合至今不仅没有消失，还依然作为主导的半导体封装内部连接方式活跃在低端到高端的各种封装形式中并不断向前发展。引线键合以上艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的90％以上采用引线键合连接。图8给出了由引线键合和倒装芯片完成的内连数的预测。可以看出倒装芯片的增长速度虽然较快，但直至2011年引线键合仍然占主导地位。无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明，引线键合在可预见的未来(目前到2020年)仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。如前所述，基于引线键合工艺的硅片凸点生成可以完成倒装芯片的关键步骤并且具有相埘于常规工艺的诸多优势，这是引线键合长久生命力和向新兴连接方式延伸的巨大潜力的有力例证。倒装芯片发展迅猛但仍受到成本和可靠性等因素的限制，无法存大范围内取代引线键合向成为主流的封装内部连接方式。它将作为高性能/高成本的内部连接方式和引线键合长期共存，共同应用在各种新型封装当中。引线键合与倒装芯片都将按照自身的规律不断发展下去。

封装中系统(SiP)是近年来半导体封装的重要趋势，代表着未来的发展方向。封装中系统在一个封装中集成多个形式各异、相对独立义紧密相连的模块以实现完整强大的功能，具有较短的开发周期和极大的灵活性。图9显示了一个SiP封装中引线键合、倒装芯片和硅片键合各有所用，共同存在的情况。这三种封装内部连接方式将一起长期被应用在未来的半导体封装当中。

5 结论
随着集成电路的发展，封装内部连接方式呈现出引线向焊球和硅片无焊球连接等非引线方式以缩短电气连接路径并缩小封装尺寸的总趋势。在传统的引线键合之外发展了倒装芯片连接和硅片键合工艺。引线键合在可预见的未来仍将是半导体封装内部连接的主流方式。倒装芯片将作为高性能/高成本的内部连接方式迅速发展并和引线键合长期共存，共同和硅片键合应用在SiP、MCM、3D等新型封装当中。
半导体前端工艺向封装的延伸(倒装芯片凸点生成)和封装技术向前端工艺的扩展(基于引线键合的硅片凸点生成)以及封装工艺由单个芯片向整个硅片的过渡(硅片键合)使封装、芯片和硅片之间的界限目趋模糊，封装已经成为半导体产品本质和有机的组成部份。

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