半导体封装技术研究

摘要：

本文以半导体封装技术为研究对象，在论述半导体封装技术及其重要作用的基础上，探究了现阶段半导体封装技术的芯片保护、电气功能实现、通用性、封装界面标准化、散热冷却功能等诸多发展趋势，深入研究了半导体前端制造工艺对封装技术的影响，探究了各种半导体封装内部连接方式之间的相互关系，旨在为我国半导体封装技术应用水平的快速提升带来更多参考和启迪。

就半导体制造产业而言，半导体工艺制造流程主要包括前道部分和后道部分，其中，前道部分的半导体制造涉及内容较繁杂且技术要求精度较高，整个工艺制造流程数可高达数百个，且半导体各工艺流程、批次、设备之间往往存在着相互影响、相互关联和相互依托的紧密关系，是半导体前道工序供应生产的典型特征，也是当今社会公认的最为复杂的产品制造过程。就半导体后道封装工艺而言，封装工艺相比前道工艺流程较简单，但由于半导体设备批量较小、品种较多，且部分产品分批、合批等操作复杂，操作步骤较多，因此，半导体后道封装工序仍旧是混合型和复杂型的工艺制造过程。就我国现阶段半导体企业后道封装工艺生产而言，其生产技术和半导体后道封装效率提升仍旧存在一定难题。因此，本文围绕半导体封装技术进行深入探讨与研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1 半导体封装技术及其作用

传统模式下，人们对半导体封装技术的理解较为局限，更多地将其局限于半导体连接以及一个批次间的组装，其整体涉及范围较窄，且将半导体封装技术以普通的生产技术对待，并未充分发掘半导体封装技术的重要价值。随着近年来电子信息产业的进一步发展，半导体封装技术逐步与电子产业工程相连接，在电子信息技术的支持下得到了更长足的发展和进步。

纵观我国现阶段半导体封装技术以及世界半导体封装技术发展过程可知，目前半导体封装技术的发展已然可归纳为五大发展阶段，目前绝大部分国家正朝着第四阶段和第五阶段迈进。具体而言，半导体封装技术的第一阶段为 20 世纪 70 年代以前，该时间期限内的半导体封装技术主要采用通孔插装型封装技术，封装方式主要包括金属圆形封装或塑料双列直插封装等诸多形式。第二阶段即为 20世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代后期，该时间段内的半导体封装技术主要采用表面贴装型封装方式，典型的封装外观有塑料引线片封装或无线四边扁平封装等。第三阶段为 20 世纪 80 年代到 20 世纪90 年代，主要包括焊球阵列封装或芯片尺寸封装技术等，通常可借助陶瓷焊球阵列封装或倒装芯片焊球阵列封装等方式实现。第四阶段为 20 世纪末期，该时间段内半导体封装技术主要采用多芯片组件封装或系统封装方式，甚至部分先进国家进一步采用了三维立体封装技术，典型的封装结构主要包括多层陶瓷基板封装模式或多层薄膜基板封装模式。第五阶段为 21 世纪初期，该时间段内的半导体封装结构封装技术主要为系统级的单芯片封装模式或微电子机械结构的封装模式。整体而言，全世界范围内的半导体封装技术主流发展仍处于第三阶段的成熟期和技术快速进步发展期，焊球阵列封装和芯片尺寸封装技术基本是现阶段半导体封装技术大规模生产和使用的关键技术类型。

总体而言，半导体封装技术主要包括以下作用：

（1）半导体封装技术能够保证半导体设备元件的正常工作，确保其预期功能的正常发挥；

（2）半导体封装技术能够保证半导体内部信息数据的正常存储与读取，且能够以功能化模块结构的形势，实现数据存储功能要求；

（3）半导体封装技术能够通过各功能块之间的强强结合，构成半导体系统结构装置，实现其整体功能；

（4）半导体封装技术能够便于人和机器设备之间的信息交互，能够建立更加方便快捷且响应速度更快的人机界面；

（5）半导体封装技术能够进一步加强半导体作为商品的附加价值，增强其市场竞争力。

2 半导体封装技术的现状及动向

2.1 芯片保护

随着 21 世纪信息技术的进一步发展，半导体内部搭载多个芯片甚至多芯片封装以及封装内系统或系统封装等技术进一步普及与发展，伴随着大规模集成电路封装技术逐步朝着小型化、薄型化方向理论体系的进一步成熟，半导体封装技术在遵从传统模式下严格状态的气密性封装，向现阶段更加简易、便于操作的树脂型封装技术方向发展，而随着大规模集成电路封装尺寸的进一步缩小和半导体叠层结构应用技术的进一步成熟，半导体封装技术除了满足传统模式下半导体封装的保护芯片要求、运行可靠性要求等基本要求外，更应将半导体搭载于母板结构降低其应力缓冲以及保证半导体搭载连接可靠性。

2.2 电气功能的实现

随着近年来电源接地系统稳定层稳定要求的进一步拔高，为最大限度降低半导体运行过程中电流感应、直流电阻甚至寄生电容等对半导体内部结构的影响，应尽可能地发挥半导体封装过程中的电器功能。在此过程中，半导体电气信号布线应随着输入和输出端子数的进一步增加尽可能缩短布线长度，实现电源接地系统的阻拦和抗击匹配，降低系统中电感、直流电阻甚至寄生电容等的不良影响。因此，为实现大规模集成电路中电气功能目标，在以设计为主导的战略观念的支持下，充分考虑大规模集成电路的回路设计与封装技术应用，研究搭载封装技术的模板结构设计，保证半导体电气功能的圆满达成。

2.3 通用性及封装界面标准化

随着半导体产业的进一步成熟和完善，未来封装技术中平面阵列端子型封装技术将成为半导体封装的常用技术，而随着半导体材料应用范围的进一步拓宽，半导体结构设计的多样化与复杂性增强，仅依赖传统模式下的平面阵列端子型封装技术并不能满足半导体产业发展的多样化要求。例如，当半导体结构检查时，利用平面阵列端子的电气接触技术，将半导体安装于母板后对待连接的部位进行检查，但现阶段薄型封装技术中的拾取技术并不能满足其基本要求，因此，对封装技术中的拾取技术进行深入分析是未来半导体封装通用性以及封装界面标准化发展的重要趋势。同时，关于半导体封装后端子节距、封装尺寸以及封装材料等的创新，甚至半导体与模板实装界面的标准化设计等，都应是未来半导体封装技术发展的重要内容。

2.4 散热冷却功能

进一步探究半导体芯片性能可知，大规模集成电路中的特性线宽要求在日益发达的现代信息社会即将进入亚 0.1nm 时代，因此，为确保先进芯片的性能能够满足智能化社会发展目标，对半导体芯片的性能预测进行探究，在未来的半导体发展过程中，几乎所有电子设备使用大规模集成电路的功耗都将进一步增加，而大规模集成电路的功能大约在 2~3w 以上，此时需在半导体封装技术应用过程中增加散热片或增加热沉，以此增加半导体散热冷却功能。在5~10W 以上时，则必须采取强制冷却手段，保证半导体散热冷却功能的正常发挥。当半导体功能损耗值在 50~100W 以上时，则应该采取空冷技术。总之，上述所有散热冷却技术在未来一段时间内都将是半导体封装技术的重要发展方向。

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对半导体封装技术的影响，将直接快速地反应到半导体后端生产技术上。众所周知，现阶段通用的大规模集成电路中的线宽由以往的 0.09 微米进一步缩小，在 2008 年达到了0.057 微米，2018 年进一步缩小到 0.018 微米。与此同时，大规模集成电路中引线键合的焊盘间距在同一时间内随着大规模集成电路线宽的不断缩小，从 35 微米进一步缩小到了 20 微米，而倒装芯片焊盘间距也进一步由以往模式下的 150 微米进一步缩小到现阶段的70 微米左右，总体而言，半导体前端制造工艺焊盘间距将随着前端线宽的不断降低而不断减小。也就是说，焊盘间距将进一步随着前端线宽参数值的不断降低而减小，该趋势也是未来较长时间内半导体封装技术应用时内部连接方式发展的重要趋势。同时，作为大规模集成电路中的半导体芯片，由芯片到下一级封装或印刷电路板的连接方式及整个内部连接结构，受到封装技术以及连接对象物理尺寸的限制，焊盘间距并不像半导体前端线宽一样呈现出持续缩短的稳定变化规律，而是在达到一定临界值后，呈现出不再变化特征，这是半导体封装技术不同于前端制造工艺的重要特点，也是半导体技术中应用封装技术应关注的重要内容。

4 各种半导体封装内部连接方式的相互关系

目前，半导体封装结构中 90% 以上的封装管脚采用引线键合连接模式，倒装芯片的内部连接模式整体增长速度尽管较快，但直到 2018 年，我国半导体产业仍就以引线键合方式作为半导体芯片内部连接的主导技术，无论是在半导体封装行业或其他权威预测均表明引线键合内部连接方式是现阶段半导体封装甚至是半导体产业低端封装内部最主流的连接方式。基于引线键合方式的工艺硅胶凸点，能够进一步生成倒装芯片的关键工序内容，并对倒装芯片连接方式中的诸多常规步骤进行融合，这一优势是引线键合连接方式长期存续且在半导体内部封装技术应用中源源不竭的重要特征。尽管倒装芯片封装技术发展较为迅速，但仍旧受到运行可靠性和运行成本高昂的限制，无法在大规模的市场环境中进行推广，更遑论取代以往引线键合方式成为半导体封装技术内部的主流连接方法。

总之，倒装芯片的半导体封装方式在现阶段的半导体封装技术应用过程中受到高昂的成本限制和运行安全可靠性等诸多因素的不良影响，并不能够在大范围商业用途的半导体芯片过程中使用，不能进行大规模或大体量的生产与售卖，并不能够取代引线键合方式而成为现阶段半导体内部封装连接方式。但倒装芯片的半导体封装内部连接结构形式，将作为高成本和高性能同步发展状态下的半导体封装内部连接方式，与引线键合连接方式长期共存，该类新型的半导体封装技术，将会对部分性能要求较高而在一定程度上忽视成本费用的行业，例如航空航天行业或军用行业中的半导体封装中得到进一步发展与应用。也就是说，引线键合的和倒装芯片的半导体封装内部连接方式，在现阶段都将继续按照其自身发展的技术规律不断进步，也将在半导体封装技术不断提升和优化背景下得到长足稳定的发展。此外，半导体封装系统也是近年来半导体封装技术发展的重要趋势，在一定程度上代表了未来较长时间内半导体封装技术的发展方向。封装中系统是在半导体封装技术中利用多个不同结构、形式相互独立却又紧密益相关的集成模块，实现半导体，尤其是大规模集成电路的完整性和其他强大功能。该封装系统具备较短的开发周期技术优势，也具备较强的开发灵活性优势，封装中系统技术的应用，结合引线键合和倒装芯片甚至是硅片键合和方向，在其技术发展上均有所体现，其共同存在情况将进一步优化半导体封装技术在未来的发展。

5 结论与展望

在电子信息化产业进一步完善和市场发展过程中，半导体生产企业应尽可能地提升其封装工艺，通过半导体内部封装连接方式相互关系的总结与梳理以及半导体前端制造工艺对整个封装技术应用的影响关系梳理，充分感知半导体封装技术的现阶段应用现状及未来创新方向，为半导体封装技术应用水平的快速提升打下扎实基础。

审核编辑：汤梓红