半导体工程一直存在三大支柱：光刻、晶体管设计和材料，现在，封装已成为第四大支柱。

大多数半导体器件都封装在陶瓷、金属或塑料中，以防止损坏芯片及其脆弱的连接线。尽管有这个重要的功能，但封装是半导体设计中最被忽视的方面之一。但随着摩尔定律逐渐走到极限，封装现在已成为代工厂、OSAT、以及芯片设计厂商都竞相关注的一环，其在宏观层面影响功耗、性能和成本，在微观层面影响所有芯片的基本功能。

什么是半导体封装？

半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后，被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金、锡、铜、铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead）,并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后，还要进行一系列操作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、电镀（Plating）以及打印等工艺。封装完成后进行成品测试，通常经过入检（Incoming）、测试（Test）和包装（Packing）等工序，最后入库出货。典型的封装工艺流程为：划片 装片 键合 塑封 去飞边 电镀 打印 切筋和成型 外观检查 成品测试 包装出货。

封装的作用

封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有：

1.物理保护

因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于2W时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5——1OW时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。

2.电气连接

封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装操作。例如从以亚微米(目前已达到0．1 3μm以下)为特征尺寸的芯片，到以10μm为单位的芯片焊点，再到以100μm为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用，从而可使操作费用及材料费用降低，而且能提高工作效率和可靠性，特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻，寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。

3.标准规格化

规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，既便于加工，又便于与印刷电路板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便，而且便于标准化。相比之下，裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板(PCB)的设计和制造，对于很多集成电路产品而言，组装技术都是非常关键的一环。

半导体封装发展简史

自1965年第一个半导体封装发明以来，半导体封装技术飞速发展，现在已演化出数千种不同的半导体封装类型。半导体封装的作用常规来说，主要有三个，一是防止损坏芯片和连接线；二是实现了硅芯片和PCB之间的电气连接；三是散热。而驱动半导体封装不断演进的驱动力主要有两个，一个是解决高引脚数，再一个是满足小尺寸要求。

半导体封装历史（图源：anysilicon）

接下来，让我们详细来看下半导体封装的发展历史。1965年，Fairchild 的三位工程师：Don Forbes、Rex Rice和Bryant Rogers发明了一种带有两排引脚的14引脚陶瓷双列直插式封装 (DIP)，这是第一个真正的半导体封装。DIP封装于70年代初开始批量生产。英特尔的8008是最早的微处理器之一，也是标志性的DIP封装类半导体。

英特尔的原始微处理器，8008 系列

到80年代，芯片开始变大，集成了更多的功能，引入了具有100万个门的芯片。芯片上数据的输入和输出 (IO) 是计算的命脉。为了解决不断增加的IO数量，半导体封装引入PGA (Pin Grid Array) 和BGA (Ball Grid Array) 封装。下图是球栅阵列的样子，它可以从下方直接将一块硅安装到 PCB 或基板上，而不是像以前的表面贴装技术那样只在所有4个端部的角上贴上胶带。BGA封装的好处是占用更少的空间和更多的连接作用。

而到90年代，笔记本电脑和手机等移动设备的兴起，使得半导体封装逐渐开始朝着小型化发展，于是又引入了CSP（芯片级封装）来解决高引脚数和小尺寸要求。CSP封装本质上是具有较小球间距的小尺寸 BGA。

后来进入到2010年，逐渐来到先进封装时代，出现了越来越多的封装类型，发展为SiP、POP、WLP，以及2.5D和3D封装等。现在5G、可穿戴等应用的兴起，以及电子设备小尺寸化的需求愈发旺盛，行业预测SiP等先进封装正在逐渐成为产业界的主流。

在2.5D和3D封装这方面，台积电、三星和英特尔是走在前列的。台积电的CoWoS是2.5D集成的代表，SoIC是3D封装的代表。三星近年来也成为多家芯片设计厂商的代工合作伙伴，X-Cube是其3D封装方案，近日，三星正式发布了新一代2.5D封装技术“I-Cube4”。最后但同样重要的是英特尔的 Foveros 3D 封装，英特尔明确表明封装是其未来的重点，英特尔CEO Pat Gelsinger指出，芯片封装以及尖端的生产方法将有助于芯片行业保持甚至超越摩尔定律在未来十年的发展速度。

越来越重要的封装

封装属于半导体供应链的后端，其关键衡量指标往往是价格和耐用性。过去没有一家封装公司被认为像传统的前端制造（即晶圆制造和晶圆分类）工艺那样重要。因为相对来说，后端操作所需的时间和支出要少得多，封装的产能扩充比较快，大家并没有意识到其出现会卡供应链的情况。

但现在，随着摩尔定律走到极限，芯片设计公司越来越多，对芯片的种类和性能要求愈发加大，封装现在在各个层面都必不可少，而且随着复杂性和盈利能力的提高，封装成为包括芯片设计厂商、IDM、代工厂、OSAT都关心的一个重要环节。

台积电在先进封装上的布局已有多年，而且对封装上的投入，也让其在早期尝到了甜头，凭借全新封装技术InFO，台积电拿下了苹果处理器订单。台积电目前在竹科、南科、中科及龙潭有先进封测厂区，主要提供晶圆凸块、先进测试与3D封装等业务，还有正在兴建的第5座竹南厂，预计2022年下半年量产。近日，据中时新闻网的报道，台积电或再建先进封装工厂，目前传出可能在云嘉地区选址，其中嘉义最有机会胜出。

三星这几年一直跟台积电你追我赶，在先进封装领域更是如此。2021年11月，三星与安靠共同开发了新2.5D封装解决方案H-Cube（Hybrid Substrate Cube，混合基板封装），专用于需要高性能和大面积封装技术的高性能计算（HPC）、人工智能（AI）、数据中心和网络产品等领域。2021年12月，三星批准花费8.5亿美元（1.1万亿韩元）用于在越南生产倒装芯片球栅阵列（FC-BGA）的设备和基础设施。

英特尔将封装看做是产品革新的催化剂，作为处理器和主板之间的物理接口，芯片的封装对产品级性能有着至关重要的作用。英特尔的“Lakefield”处理器就是将混合型CPU与他们的Foveros 3D封装技术结合在一起。2021年12月16日英特尔宣布，今后十年间将在马来西亚投资300亿林吉特（约合453.5亿元人民币），新建最先进的封装制造设备。

内存厂商SK海力士也在通过增强传统封装、TSV和FO-WLP领域的封装竞争力来提高内存解决方案的价值。SK海力士一名PL曾表示，“封装技术对于高性能设备的正常运行非常重要。例如，要同时发送和接收大量数据，就需要形成无数条与外部相连的电通路，而起到这个作用的就是封装过程。封装技术将多个芯片堆叠，实现比传统芯片4倍、16倍甚至更多的容量，或将多种类型的芯片组合成一个系统。换句话说，依赖封装技术，产品的附加值可以大大增加。现在，如果没有封装技术的进步，单靠芯片技术无法占据未来的市场主导地位。”

国内在先进封装上的进击

自80年代中期，封装已经成为我国半导体供应链中的关键环节。而现在先进封装已经成为中国半导体行业的技术重点。国内的长电科技、通富微电以及天水华天都已经在先进封装上进行了布局，不止是传统的封装厂，更有一些芯片厂商和新崛起的封装新势力正在向先进封装迈进。

深圳同兴达子公司昆山同兴达，于2021年10月15日，与昆山日月光签订协议合作“芯片先进封测（Gold Bump）全流程封装测试项目”。先进封装技术在显示驱动IC及CIS芯片中有着重要作用。中国大陆Gold Bump封测产能较少，尤其直接面对显示驱动IC及CIS芯片的Gold Bump封测产能更是稀缺。

SiP封装也是国内很多企业在发力的一大方向。根据Yole预测，2025年先进封装的占比将提升至整体封测行业的49.4%，其中SiP封装被市场看好，在2020年到2026年年间，基于覆晶(FC)和打线接合(WB)的SiP市场将以5%的CAGR成长至170 亿美元的规模。同期，嵌入式芯片(Embedded Die，ED) SiP市场则将以25%的CAGR 增加到1.89亿美元；扇出型(FO) SiP市场价值预计以6%的CAGR20-26成长至16亿美元。

2021年12月15日，华宇电子集成电路先进封装测试产业基地项目三期开工，据其官微介绍，三期项目总投资10亿元，总建筑面积4.50万平方米，封装技术向SiP系统级3D封装技术及LGA、BGA先进封装技术升级，预计2022年实现投产。

再就是正在SiP快封领域探索的摩尔精英，据了解，摩尔精英无锡SiP封测中心，一期总投资5亿元，建筑面积1.5万平。该厂的年规划产能超过1亿颗，产品包括：FCBGA工程批、SiP设计和工程批、SiP量产和测试。据悉，2022年无锡SiP封测中心可生产FC+WB技术的复杂SiP产品，同时也可生产FC及WB标准产品。到2023年可生产FC+WB+SMT的产品。2024年，无锡SiP封测中心的目标是开发AiP技术，以及进行电磁隔离技术的SiP设计和生产。

华为也看好封装这一环节，旗下华为哈勃投资了多家封装领域的厂商。不仅如此，2021年12月28日，华为还注册6亿元成立华为精密制造有限公司，发力封装环节。有华为内部人士表示，“我们不生产芯片，主要业务是华为无线、数字能源等产品的部分核心器件、模组、部件的精密制造，包括组装与封测。经营范围中提及的‘半导体分立器件’主要是分立器件的封装、测试。”

国内还有很多新的封装项目正如雨后春笋般崛起，例如在2022年1月12日，宁夏储芯集成电路产业研发项目正式投产，2条微组装生产线和1条多芯片封装线也正式投产运行。据悉，该项目总投资4亿元人民币，占地面积50亩，目前投资2亿元实施一期工程。一期工程将建设3条表面贴装(SMT)生产线和1条集成电路封装生产线，主要生产无线热点过滤模块、射频前端模块、集成射频开关和滤波器以及4K超短距LED投影仪，产品主要应用于智能手机、平板电脑和车载存储。

结语

毫无疑问，现在封装作为产业链的重要一环，已经成为各大厂商发力的重点。摩尔定律的放缓正在推动根本性的变化。我们正处于先进封装推动的半导体设计复兴之中。

文章来源： 龙泰通电子， 半导体行业观察