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[导读]尽管近年来国内一些龙头企业的先进封测关键技术正在不断取得突破,但对比代工业十年发展史,封测行业的增速明显低于代工业。

电子封装是集成电路芯片生产完成后不可或缺的一道工序,是连接器件与系统的桥梁。

按照当前国际上比较流行的观点,在微电子器件的总体成本中,设计占到⅓,芯片生产占到⅓,而封装和测试也占到⅓,可谓是“三分天下有其一”。

认识与理解

在谈及封装的重要性之前,我们先来了解一下什么是封装?

从工艺的角度看,封装就是把集成电路装配为芯片最终产品的过程。简单地说,就是把Foundry生产出来的集成电路裸片(Die)放在一块起到承载作用的基板上,把管脚引出来,然后固定包装成为一个整体。

如果细说的话,主要包括以下三种:

1、芯片封装:利用膜技术及微细加工技术,将芯片及其它要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接,引出接线端子,并通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体结构的工艺。

2、电子封装:将基板、芯片封装体和分立器件等要素,按照电子整机要求进行连接和装配,实现一定电气、物理性能,转变为具有整机或系统形式的整机装置或设备。

3、集成电路封装:保护芯片不受或者少受外界环境的影响(包括物理、化学的影响),并为之提供一个良好的工作条件,以使集成电路具有稳定、正常的功能。

功能与作用

对于微电子器件而言,封装是一道至关重要的生产环节。因为封装技术的高低,不仅直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能、热性能等,还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性与成本。

封装1

具体来说,封装的主要作用如下:

1、物理保护:为了防止空气中的杂质对芯片电路造成腐蚀,因此芯片必须与外界隔离,达到保护电气性能、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,通过封装还可使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配,以此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,从而能够防止芯片损坏失效。

需要说明的是,选用不同的结构和材料,其散热效果也会不同,因此封装越薄越好。对于功耗较大的芯片或部件封装,应考虑增加散热片、热沉片,或是使用强制冷却手段,以保证系统在使用温度要求的范围内能够正常工作。

此外,封装后的芯片也更加便于安装和运输。

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0.13μm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,最后到以毫米为单位的印刷电路板,都是通过封装来实现的。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,从而可以大幅降低操作费用和材料费用,并能提高工作效率和可靠性。

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。与之相比,裸芯片实装及倒装尚不具备这方面的优势。

技术与分类

封装的工序比较复杂,大概有十几道工序,包括磨片、划片、装片、键合……如果仅从技术的角度看,封装可分为四个层次:

第一层次:芯片互连级(零级封装),是指把集成电路芯片与封装基板或引脚架之间的粘贴固定电路连线与封装保护的工艺,使之成为易于取放输送,并可与下一层次的组装进行连接的模块元件。

第二层次:一级封装(多芯片组件),将数个第一层次完成的封装,与其它电子元器件组成一个电子卡的工艺。

第三层次:二级封装(PWB或卡),将数个第二层次完成的封装组成的电路卡,组合成在一个主电路版上,使之成为一个部件或子系统的工艺。

第四层次:三级封装(母板),将数个子系统组装成为一个完整电子产品的工艺过程。

封装的分类

当前,封装技术大致可分为以下几种方式:

1、TO晶体管外形封装。这是早期的封装规格,例如TO-92、TO-92L、TO-220、TO-252等都是插入式封装设计。近年来,表面贴装市场需求量增大,TO封装也进展到了表面贴装式封装,其中TO-252和TO263就是表面贴装封装。

2、DIP双列直插式封装。这是当前最普及的插装型封装,绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用的是DIP封装,其引脚数一般不超过100个,应用范围包括标准逻辑IC、存贮器LSI、微机电路等。

采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚,需要插到具有DIP结构的芯片插座上。当然,也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心,以免损坏引脚。

DIP封装具有两大特点:一是适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便;二是芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。据了解,Intel公司早期CPU,如8086、80286就采用这种封装形式,缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式。

3、SOP小尺寸封装。这是DIP的缩小版,其引线中心距为1.27mm,材料有塑料和陶瓷两种。

4、QFP塑料方型扁平式封装。QFP封装的芯片引脚之间距离很小、管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式。

5、PGA插针网格阵列封装。PGA封装的芯片,内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,其最大的特点就是插拔操作更方便、可靠性更高,并且可适应更高的频率。据了解,在Intel系列CPU中,80486和Pentium、Pentium Pro均采用的是这种封装形式。 

6、BGA球栅阵列封装。由于具有成品率高、可靠性强,以及改善电热性能等优点,因此BGA封装一出现,便成为了CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

7、CSP芯片尺寸封装。为了满足全球电子产品个性化、轻巧化的需求,封装技术已经进步到了CSP。它减小了芯片封装外形的尺寸,做到裸芯片尺寸有多大,封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍,IC面积只比晶粒(Die)大不超过1.4倍。

8、MCM多芯片模块。为了解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题,把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统,从而出现了MCM多芯片模块系统,其最大的特点就是封装延迟时间缩小,易于实现模块高速化;同时还能缩小整机/模块的封装尺寸与重量,并能大幅提高系统可靠性。

创新与突破

随着电子技术的飞速发展,封装的小型化和组装的高密度化,以及各种新型封装技术的不断涌现,对电子组装质量的要求也越来越高。所以,电子封装的新型产业也就随之出现了,即电子封装测试行业。

在我国产业升级的大背景下,随着消费电子产业的崛起,以及相关产业工程师数量的日益增多,推进了中国电子封装测试行业迅速崛起。根据中国半导体行业协会的统计数据显示,2018年我国集成电路封装测试行业市场规模达到2193.9亿元,同比增长16.1%;截至2019年上半年,我国集成电路封装测试行业销售额累计达到1022.1亿元,同比增长5.4%。

封装2

(数据来源:前瞻产业研究院)

从技术层面来看,近年来国内一些龙头企业的先进封测关键技术正在不断取得突破:

1、江苏长电科技股份有限公司:应用于5G通讯的高密度系统级封测技术取得进步;导热技术与混合封装技术,可满足5G市场高速率传输的需求;新一代屏下指纹超薄封装技术也有长足进展,不仅可以满足未来手机在超薄设计的需求,还能大幅改善传输的效率和准确率,有益于未来超薄手机的安防与保密设计。

2、通富微电子股份有限公司:成功开发了12英寸触控与显示整合芯片用金凸块工艺技术,并开发了国产CPU封测技术,重点开发了大尺寸芯片Bumping的结构、材料的设计与选型,以及CPU bumping圆片的CP测试技术、FCBGA倒装封装结构手机等。

3、华天科技股份有限公司:毫米波雷达芯片封装取得重大进展,毫米波雷达芯片硅基扇出型封装研制成功;存储封装,3D NAND&LPDDR MemoryBGA导入量产,建立了0.13超薄基板Memory封装测试,3D NAND&LPDDR Memory产品从无到有;MEMS封装,硅麦克风三层堆叠工艺技术成功导入量产。

4、中科芯集成电路有限公司:成功开发了12nm晶圆级芯片尺寸封装的量产技术,覆盖扇入/扇等高密度集成需要,还成功开发了晶圆级有铅/无铅圆片级凸点制备技术,并且研制了高可靠基本型塑封技术。

发展与趋势

1、回顾过去:2019年上半年,中国集成电路设计业销售收入比重为39.6%,集成电路制造业销售收入比重为26.9%,集成电路封装测试业销售收入比重为33.5%。对比过去,如今我国集成电路的产业结构明显更加合理。

封装3

(数据来源:前瞻产业研究院)

另外,根据中国半导体行业协会的统计数据显示,截至2019年上半年,中国集成电路设计业销售收入为1206.1亿元,同比增长18.3%,增速有所下滑。

封装4

(数据来源:前瞻产业研究院)

对比代工业十年发展史,封测行业的增速明显低于代工业:一是,在技术方面,代工业通过摩尔定律技术驱动,重塑产业模式,确定了行业明显增长轨迹;而摩尔定律推动封测行业发展不如代工业显著。

二是,在生产格局上,Fabless客户委外代工是唯一选择,而封测并没有全部外包,这就决定了封测行业并未显现同比例增长。

封装行业增速

(数据来源:天风证券研究所)

2、展望未来:根据《国家集成电路产业发展推进纲要》发展目标指出,到2020年集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小,全行业销售收入年均增速超过20%,企业可持续发展能力大幅增强,关键装备和材料进入国际采购体系,基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系;到2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,实现跨越发展。

在国家产业政策扶持和社会资金支持等利好条件下,未来我国半导体材料领域或将涌现出更多具有国际竞争力的产品,而封测行业的增速也或将随之有所上涨。

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