之前给大家介绍了晶圆制备和芯片制造：
晶圆是如何制造出来的？
从入门到放弃，芯片的详细制造流程！
从今天开始，我们聊聊芯片的封装和测试（通常简称“封测”）。
这一部分，在行业里也被称为后道（Back End）工序，一般都是由 OSAT 封测厂（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半导体封装与测试）负责。
█ 封装的目的
先说封装。
封装这个词，其实我们经常会听到。它主要是指把晶圆上的裸芯片（晶粒）变成最终成品芯片的过程。
之所以要做封装，主要目的有两个。
一个是对脆弱的晶粒进行保护，防止物理磕碰损伤，也防止空气中的杂质腐蚀晶粒的电路。
二是让芯片更适应使用场景的要求。
芯片有很多的应用场景。不同的场景，对芯片的外型有不同的要求。进行合适的封装，能够让芯片更好地工作。
█ 封装的发展阶段
封装工艺伴随芯片的出现而出现，迄今为止已有 70 多年的历史。
总的来看，封装工艺一共经历了五个发展阶段：
接下来，我们一个个来说。
传统封装
最早期的晶体管，采用的是 TO（晶体管封装）。后来，发展出了 DIP（双列直插封装）。
再后来，由 PHILIP 公司开发出了 SOP（小外型封装），并逐渐派生出 SOJ（J 型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型 SOP）、TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。
第一、第二阶段（1960-1990 年）的封装，以通孔插装类封装（THP）以及表面贴装类封装（SMP）为主，属于传统封装。
传统封装，主要依靠引线将晶粒与外界建立电气连接。
这些传统封装，直到现在仍比较常见。尤其是一些老的经典型号芯片，对性能和体积要求不高，仍会采用这种低成本的封装方式。
第三阶段（1990-2000 年），IT 技术革命加速普及，芯片功能越来越复杂，需要更多的针脚。电子产品小型化，又要求芯片的体积继续缩小。
这时，BGA（球型矩阵、球栅阵列）封装开始出现，并成为主流。
BGA 仍属于传统封装。它的接脚位于芯片下方，数量庞大，非常适合需要大量接点的芯片。而且，相比 DIP，BGA 的体积更为紧凑，非常适合需要小型化设备。
和 BGA 有些类似的，还有 LGA（平面网格阵列封装）和 PGA（插针网格阵列封装）。大家应该注意到了，我们最熟悉的 CPU，就是这三种封装。
先进封装
20 世纪末，芯片级封装（CSP）、晶圆级封装（WLP）、倒装封装（Flip Chip）开始慢慢崛起。传统封装开始向先进封装演变。
相比于 BGA 这样的封装，芯片级封装（CSP）强调的是尺寸的更小型化（封装面积不超过芯片面积的 1.2 倍）。
晶圆级封装是芯片级封装的一种，封装的尺寸接近裸芯片大小。
下期我们讲具体工艺的时候，会提到封装包括了一个切割工艺。传统封装，是先切割晶圆，再封装。而晶圆级封装，是先封装，再切割晶圆，流程不一样。
倒装封装（Flip Chip）的发明时间很早。1960 年代的时候，IBM 就发明了这个技术。但是直到 1990 年代，这个技术才开始普及。
采用倒装封装，就是不再用金属线进行连接，而是把晶圆直接反过来，通过晶圆上的凸点（Bump），与基板进行电气连接。
和传统金属线方式相比，倒装封装的 I/O（输入 / 输出）通道数更多，互连长度缩短，电性能更好。另外，在散热和封装尺寸方面，倒装封装也有优势。
先进封装的出现，迎合了当时时代发展的需求。
它采用先进的设计和工艺，对芯片进行封装级重构，带来了更多的引脚数量、更小的体积、更高的系统集成度，能够大幅提升系统的性能。
进入 21 世纪后，随着移动通信和互联网革命的进一步爆发，促进芯片封装进一步朝着高性能、小型化、低成本、高可靠性等方向发展。先进封装技术开始进入高速发展的阶段。
这一时期，芯片内部布局开始从二维向三维空间发展（将多个晶粒塞在一起），陆续出现了 2.5D/3D 封装、硅通孔（TSV）、重布线层（RDL）、扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圆级封装、系统级封装（SiP）等先进技术。
当芯片制程发展逐渐触及摩尔定律的底线时，这些先进的封装技术，就成了延续摩尔定律的“救命稻草”。
█ 先进封装的关键技术
2.5D/3D 封装
2.5D 和 3D 封装，都是对芯片进行堆叠封装。
2.5D 封装技术，可以将两种或更多类型的芯片放入单个封装，同时让信号横向传送，这样可以提升封装的尺寸和性能。
最广泛使用的 2.5D 封装方法，是通过硅中介层（Interposer）将内存和逻辑芯片（GPU 或 CPU 等）放入单个封装。
2.5D 封装需要用到硅通孔（TSV）、重布线层（RDL）、微型凸块等核心技术。
3D 封装是在同一个封装体内，于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。
2.5D 和 3D 封装的主要区别在于：
2.5D 封装，是在 Interposer 上进行布线和打孔。而 3D 封装，是直接在芯片上打孔和布线，连接上下层芯片堆叠。相对来说，3D 封装的要求更高，难度更大。
2.5D 和 3D 封装起源于 FLASH 存储器（NOR / NAND）及 SDRAM 的需求。大名鼎鼎的 HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器），就是 2.5D 和 3D 封装的典型应用。将 HBM 和 GPU 进行整合，能够进一步发挥 GPU 的性能。
HBM 通过硅通孔等先进封装工艺，垂直堆叠多个 DRAM，并在 Interposer 上与 GPU 封装在一起。HBM 内部的 DRAM 堆叠，属于 3D 封装。而 HBM 与 GPU 合封于 Interposer 上，属于 2.5D 封装。
现在业界很多厂商推出的新技术，例如 CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube 等，都是由 2.5D 和 3D 封装演变而来的。
系统级封装（SiP）
大家应该都听说过 SoC（System on Chip，系统级芯片）。我们手机里面那个主芯片，就是 SoC 芯片。
SoC，简单来说，是将多个原本具有不同功能的芯片整合设计到一颗单一的芯片中。这样可以最大程度地缩小体积，实现高度集成。
但是，SoC 的设计难度很大，同时还需要获得其他厂商的 IP（intellectual property）授权，增加了成本。
SiP（System In Packet，系统级封装），和 SoC 就不一样。
SiP 将多个芯片直接拿来用，以并排或叠加的方式（2.5D/3D 封装），封装在一个单一的封装体内。
尽管 SiP 没有 SoC 那样高的集成度，但也够用，也能减少尺寸，最主要是更灵活、更低成本（避免了繁琐的 IP 授权步骤）。
业界常说的 Chiplet（小芯粒、小芯片），其实就是 SiP 的思路，将一类满足特定功能的裸片（die），通过 die-to-die 的内部互联技术，互联形成大芯片。
硅通孔（TSV）
前面反复提到了硅通孔（through silicon via，TSV，也叫硅穿孔）。
所谓硅通孔，其实原理也挺简单，就是在硅介质层上刻蚀垂直通孔，并填充金属，实现上下层的垂直连接，也就实现了电气连接。
由于垂直互连线的距离最短、强度较高，所以，硅通孔可以更容易实现小型化、高密度、高性能等优点，非常适合叠加封装（3D 封装）。
硅通孔的具体工艺，我们下期再做介绍。
重布线层（RDL）
RDL 是在芯片表面沉积金属层和相应的介电层，形成金属导线，并将 IO 端口重新设计到新的、更宽敞的区域，形成表面阵列布局，实现芯片与基板之间的连接。
说白了，就是在硅介质层里面重新连线，确保上下两层的电气连通。在 3D 封装中，如果上下堆叠的是不同类型的芯片（接口不对齐），则需要通过 RDL 重布线层，将上下层芯片的 IO 进行对准。
如果说 TSV 实现了 Z 平面的延伸，那么，重布线层（RDL）技术则实现了 X-Y 平面进行延伸。业界的很多技术，例如 WLCSP、FOWLP、INFO、FOPLP、EMIB 等，都是基于 RDL 技术。
扇入（Fan-In）/扇出（Fan-Out）型晶圆级封装
WLP（晶圆级封装）可分为扇入型晶圆级封装（Fan-In WLP）和扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLP）两大类。
扇入型直接在晶圆上进行封装，封装完成后进行切割，布线均在芯片尺寸内完成，封装大小和芯片尺寸相同。
扇出型则基于晶圆重构技术，将切割后的各芯片重新布置到人工载板上。然后，进行晶圆级封装，最后再切割。布线可在芯片内和芯片外，得到的封装面积一般大于芯片面积，但可提供的 IO 数量增加。
目前量产最多的，是扇出型产品。
以上，小枣君尽可能简单地介绍了一些封装的背景知识。
下一期，我要开始介绍封装的主要工艺。敬请关注！
参考文献：
1、《芯片制造全工艺流程》，半导体封装工程师之家；
2、《一文读懂芯片生产流程》，Eleanor 羊毛衫；
3.、《不得不看的芯片制造全工艺流程》，射频学堂；
4、《什么是先进封装？和传统封装有什么区别？如何分类？》，失效分析工程师赵工；
5、《一文了解先进封装之倒装芯片 (FlipChip) 技术》，圆圆的圆，半导体全解；
6、《一文了解硅通孔 (TSV) 及玻璃通孔 (TGV) 技术》，圆圆的圆，半导体全解；
7、《先进封装发展充要条件已具，关键材料国产替代在即》，国金证券；
8、《Chiplet 先进封装大放异彩》，民生证券；
9、维基百科、百度百科、各厂商官网。
本文来自微信公众号：鲜枣课堂（ID：xzclasscom），作者：小枣君
广告声明：文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考，IT之家所有文章均包含本声明。
