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【芯片封装】先进封装五大关键发展阶段，你了解吗？

2024年11月12日 08:45 浏览：171 来源：小萍子

从最初的简单保护到如今的高密度、高性能集成，封装技术的发展不仅见证了半导体行业的成长，更推动了整个电子产业的进步。迄今为止，全球集成电路封装技术已经历了五个发展阶段，其中前三个阶段被归为传统封装，而第四、五阶段则标志着先进封装的崛起。先进封装技术作为半导体产业链中的重要一环，正推动着整个电子产业的变革和发展。从传统的引线框架型封装到如今的倒装焊、晶圆级封装、2.5D/3D堆叠等技术，封装技术不断演进和创新，为集成电路的高性能、高密度集成提供了有力保障。本文将深入探讨这一发展历程，揭示先进封装技术的奥秘，并展望其未来的发展趋势。

一、传统封装

传统封装技术以引线框架型封装为主，芯片与引线框架通过焊线连接，引线框架的接脚再连接到PCB上，实现了芯片与外部电路的连接。这一阶段的封装形式主要包括DIP（双列直插封装）、SOP（小外形封装）、QFP（四边引脚扁平封装）和QFN（四方扁平无引脚封装）等。这些封装形式在早期的电子产品中广泛应用，为芯片的保护、尺度放大和电气连接提供了基本保障。

传统封装技术的核心在于芯片的简单封装和保护，确保芯片在复杂环境中能够稳定工作。然而，随着集成电路的集成度和性能要求的不断提高，传统封装技术逐渐暴露出互连密度低、尺寸大、功耗高等问题，无法满足高性能、高密度集成的需求。因此，先进封装技术的出现成为必然。

二、先进封装

先进封装技术是对传统封装技术的革命性突破，它不仅仅是对芯片进行简单的封装和保护，更是对芯片进行封装级重构，实现系统级的高功能密度集成。现阶段的先进封装技术主要包括倒装焊（Flip Chip）、晶圆级封装（WLP）、2.5D封装（Interposer）和3D封装（TSV）等。

1. 倒装焊（Flip Chip）

倒装焊技术是一种将芯片直接倒扣在基板上，通过焊点实现芯片与基板之间互连的封装方式。与传统的引线框架型封装相比，倒装焊技术具有互连密度高、尺寸小、功耗低等优点。此外，倒装焊技术还可以实现芯片与基板之间的直接电气连接，减少了信号传输的延迟和损耗，提高了系统的整体性能。

2. 晶圆级封装（WLP）

晶圆级封装技术是在晶圆级别上对芯片进行封装，实现了从芯片制造到封装的无缝衔接。这种封装方式不仅提高了封装效率，还降低了封装成本。晶圆级封装技术主要包括晶圆级芯片规模封装（WLCSP）和晶圆级扇出型封装（WFO-WLP）等。其中，晶圆级扇出型封装技术通过重新布线层的设计，实现了对多个芯片的集成和互连，进一步提高了封装密度和性能。

3. 2.5D封装（Interposer）

2.5D封装技术通过在芯片和基板之间插入一个中介层（Interposer），实现了多个芯片之间的互连和通信。这种封装方式不仅提高了系统的集成度和性能，还解决了传统封装中互连线长、信号延迟等问题。2.5D封装技术在高性能计算、数据中心等领域具有广泛应用前景。

4. 3D封装（TSV）

3D封装技术是通过垂直互连通道（TSV）将多个芯片堆叠在一起，实现了三维空间上的高密度集成。这种封装方式不仅提高了系统的集成度和性能，还降低了功耗和封装尺寸。3D封装技术在智能手机、可穿戴设备等小型化、高性能化的电子产品中具有重要应用。

三、先进封装与传统封装的主要区别

先进封装与传统封装的主要区别在于一级互联和二级互联方式的不同。一级互联方式方面，传统工艺主要采用Wire Bonding（WB）技术，即通过金丝或铝丝将芯片与引线框架连接起来；而先进工艺则采用Flip Chip（FC）技术，实现了芯片与基板之间的直接互连。二级互联方式方面，传统工艺主要采用通孔插装型或表面贴装方式；而先进工艺则采用球栅阵列型（BGA）、平面网格阵列（LGA）或插针网格阵列（PGA）等方式，实现了更高的互连密度和性能。

因此，FCBGA、FCLGA等封装形式就被称为先进封装。这些封装形式不仅提高了系统的集成度和性能，还推动了整个半导体产业链的发展。

四、市场规模与增长趋势

据Yole和集微咨询数据显示，自2017年以来，全球封测市场规模稳健增长，2022年达到815亿美元。Yole预计，总体市场规模将保持增长态势，到2026年将达到961亿美元。

而先进封装技术则有望展现高于封测市场整体的增长水平。据Yole预计，2019-2025年，全球整体封装市场规模年均复合增速为4%，而先进封装市场规模则达到7%的年均复合增速。到2025年，先进封装将占据整体封装市场的49.4%，成为半导体封装领域的主流技术。

五、先进封装的主流技术路径

除了单个芯片封装形式的演进以外，多芯片集成、2.5D/3D堆叠等技术也成为现阶段先进封装的主流技术路径。这些技术不仅提高了系统的集成度和性能，还推动了半导体产业链的创新和发展。

1. 多芯片集成

多芯片集成技术是将多个芯片集成在一个封装体内，通过先进的互连技术实现芯片之间的通信和协同工作。这种技术不仅提高了系统的集成度和性能，还降低了功耗和封装尺寸。多芯片集成技术在智能手机、平板电脑等电子产品中具有广泛应用。

2. 2.5D/3D堆叠

2.5D/3D堆叠技术是通过将多个芯片堆叠在一起，实现三维空间上的高密度集成。这种技术不仅提高了系统的集成度和性能，还解决了传统封装中互连线长、信号延迟等问题。2.5D/3D堆叠技术在高性能计算、数据中心等领域具有广泛应用前景。

3. Chiplet封装技术

随着集成电路的集成度和性能要求的不断提高，单个芯片的面积和功耗限制成为制约其发展的瓶颈。因此，Chiplet封装技术应运而生。Chiplet技术是将多个具有不同功能的小芯片（Chiplet）通过先进的互连技术集成在一起，形成一个具有高性能、低功耗的系统级芯片。这种技术不仅突破了单个芯片的限制，还提高了系统的灵活性和可扩展性。Chiplet封装技术在高性能计算、人工智能等领域具有广泛应用前景。