闲聊芯片封装

芯片产业是一个分工很细的产业。设计公司做完逻辑和物理设计，将最终设计结果交给芯片生产厂。芯片生产厂通过很多复杂的工序，在一块大的晶圆上做出了许许多多的小芯片。然后，这些小芯片（die）被从晶圆上切割下来，为什么叫die，众说纷纭，有一种说法是因为当初的生产工艺比较差，切割出的芯片经常会作废，die了。

实际上die就像一块小玻璃，非常的脆弱，不能直接使用，需要在外面加一层保护壳，也就是我们常听到的“封装”。简单点说，封装技术需要将die固定在基板（substrate）上，然后将die上的引脚连接到芯片外壳的引脚上。

传统封装中最常见的“引线键合（wire-bonding）”封装，即芯片正面朝上固定在基板上，然后通过很细的金属线（通常是金线）把die的引脚连接到基板焊盘上，最后把die/基板/金属线全部密封起来，密封用的材料有塑料，陶瓷等。这种封装技术的优点是生产工艺相对简单，成本较低；缺点是封装完的芯片尺寸比die的尺寸大许多，且芯片管脚数受限。

随着技术进步，发展出“倒装（flip-chip）”技术，晶圆切割前就在die上做好焊点（bump），封装时将die翻转过来，把有bump的那面正对着载板，通过加热加压的方法使bump与载板上的焊点连接好。相比wire-bonding，flip-chip可以有更多管脚数量，封装尺寸接近die的尺寸，并且电气性能，结构特性等更好。但是随着芯片功能越来越复杂，I/O数量急剧增加，在有限的die尺寸下长好所有bump且满足严格的bump间距约束已经越来越难。

后来衍生出Fan-Out WLP（Wafer Level Packages），也叫FOWLP，先将die从晶圆上切割下来，倒置粘在载板上形成了一重组晶圆（Reconstituted Wafer）。在重组晶圆中，生成重新布线层（redistribution layer，RDL）。利用FOWLP技术，bump可以长到die外面，封装后IC也比die面积大（也就是Fan-out）。

上面说的单颗die的封装，将多个die封装在一起，有很多种方式。通常分为2D，2.5D，3D封装。

最直接的方式，将多颗die正面朝下，焊接到基板上，die与die之间的互连就靠基板上的走线。这种办法的缺点是基板上的布线密度低，因此die与die之间的互连受限。

一种解决办法是在基板上加一层“硅中介层”。多颗die正面朝下连接到硅中介层上，die与die的互连布线在中介层完成。也就是说硅中介层充当了die-die互连和die-substrate互连角色。硅中介层可以直接由半导体工艺制造，所以其布线密度远高于基板，这样也就解决die-die互连的问题。说完优点，再来看看缺点，中介层需要承载多颗die，因此其面积大于所有die的面积之和。还有刚才也提到了，中介层也是半导体工艺制作，成本不低，且很难做很大面积。目前，这个技术的代表是台积电的CoWoS。

为了降低中介层的尺寸，英特尔发明了EMIB，将die-die的互连用“硅桥（Si Bridge）”实现，且硅桥嵌入在基板内部，die-substarte的连接通过传统方法实现。这种做法可以大大降低硅中介层的面积，减少成本，减轻多die封装的限制。

2.5D封装还有一种技术，叫FOCoS（Fan-Out Chip on Substrate），顾名思义，在基板上做芯片扇出。硅桥嵌入在扇出 RDL 层中。按照RDL层和芯片贴装两个环节的先后次序不同，FOCoS又可以分为chip-last和chip-first两种。

可以看出，在目前的2.5D封装技术中，所有的die处在一个平面上。所以，注定了一颗芯片中不能有太多die。聪明的技术大牛们想出了3D封装，把die堆叠起来，die间的连接通过TSV（Through Silicon Via）。这种技术好归好，但是难度太高，成本太大。试想一下，在又薄又脆弱的玻璃片上打很多通孔，再把这些玻璃片摞高高，是不是听着就头疼。其实早在NAND flash芯片中就采用了堆叠技术，但是die之间不需要TSV，所以严格说起来不能算3D封装。

具体的3D封装技术那就更多了，各大厂商纷纷推出自己的技术，比如SoIC，X-cube，Foveros等。

最后总结一下，2D封装就像一间大平房，每个房间是一个功能模块；2.5D封装就像一间四合院，在外面看是一个整体，在内部看有多间独立房屋，房屋排列在一个平面上，房屋之间的互连要通过院子，也就是芯片中的中介层；3D封装像是一栋楼房，房屋间的互连是通过垂直的楼梯或者电梯。