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先进封装让芯片设计更加自由
发布时间：
2022-09-08
作者：
恩纳基智能科技
先进封装 贴片机 功率模块
除了北、上、深，无锡应该是大多数半导体人定期打卡的城市之一。无锡地处中国华东地区、江苏省南部，自古就有“鱼米之乡”的美称。作为中国民族工业和乡镇工业的摇篮、苏南模式的发祥地，无锡还是国内不容忽视的半导体高地，更被称为中国集成电路产业人才的“黄埔军校”。
自从 IBM 和摩托罗拉在 1980 年代推出第一个 BGA 封装以来，半导体行业一直在不断创新新型先进封装。传统封装工艺主要采用引线键合工艺连接系统，而先进封装工艺是以凸点（Bumping）方式实现电气连接。随着下游应用端对高算力和集成化需求提升致使先进封装技术成为未来重要发展趋势。
先进封装发展背景
后摩尔定律是根据摩尔定律提出，而摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。换言之，处理器性能每隔两年翻一倍。
但随着晶体管特征尺寸缩小到10nm以下，基于摩尔定律的芯片研发和制造成本也会呈几何倍数增加，摩尔定律延续遇到瓶颈。业界提出深度摩尔（More Moore）、超越摩尔（More than Moore）与新器件（Beyond CMOS），其中超越摩尔指不单通过进一步缩小晶体管尺寸来达到摩尔定律，而是通过电路设计优化或先进封装工艺实现。
先进封装技术分类
先进封装是先进连接技术、操作单元和封装思路等的交错与聚合，具体可以分为倒装封装（Flip-Chip）、晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）及系统级封装（SiP）等三类具有代表性的先进封装工艺技术。
1）倒装封装：
不同于传统的引线键合方式，倒装工艺是在芯片 I/O 焊盘上直接沉积，或通过布线后沉积凸块，然后将芯片翻转进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，芯片电气面朝下。
可进一步细分为倒装芯片球栅格阵列封装（FCBGA）和倒装芯片尺寸封装（FCCSP）两种，其中FCBGA拥有较高的市场份额，被广泛应用于笔记本电脑、高性能计算（HPC）和AI等领域。
2）晶圆级芯片尺寸封装：
将芯片尺寸封装（CSP）和晶圆级封装（WLP）融合为一体的新型封装技术。对比传统封装，晶圆级封装具有明显的成本优势。按技术类型分，晶圆级芯片尺寸封装可分为扇入型晶圆级封装（FIWLP）和扇出型晶圆级封装(FOWLP)。由于具有较小的封装尺寸，扇入型晶圆级封装可广泛应用于电源管理芯片、串行闪存、射频收发器、微处理器和无线充电芯片等领域。
3）系统级封装:
通过并行或堆叠方式将多种不同功能的芯片一起进行封装，由于系统级分装可显著减小封装体积，进一步提升封装密度、改善信号传输速度和降低功耗，故其被视为实现超越摩尔定律的重要路径。由于系统级封装在异构集成方面的优势，强调轻便型与功能性结合的消费电子为其最大应用领域。
芯片设计民主化
可能由先进封装选项驱动的最有趣的转变是芯片设计的民主化。PCB 设计工程师精通标准组件的布局和封装，经过检查，很明显，许多相同的技能也适用于 2.5D 和 3D 集成电路的封装设计。这些应用程序中使用的设计软件仍然需要一些生产力提升，但工作流程仍将反映 PCB 设计中使用的工作流程。
基本概念与PCB设计基本相同；布局工程师构建中介层基板，以在嵌入式组件和附加管芯上进行所需的连接。版图工程师只需要获得连接管芯和嵌入式组件的引脚分配。然后，他们使用 CAD 工具中的布线引擎在中介层和基板中建立所需的连接，并最终设计将连接到 PCB 的 BGA 封装。
也许是时候让半导体行业发明一种新的商业模式来支持这种先进封装方法了。当布局工程师可以为其新组件选择标准化裸片而不是位于 PCB 上的预封装芯片时，这种封装设计方法将是可行的。时间会证明行业的创新者是否会加紧建立这个生态系统并创建大规模生产这些组件所需的软件，但这会将 PCB 设计人员的角色扩展到一个新领域，使他们能够更好地控制他们生产的设备。
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