文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了芯片封裝的功能、等級以及分類。

在摩爾定律趨近物理極限、功率器件制程仍停留在百納米節(jié)點的背景下，芯片“尺寸縮小”與“性能提升”之間的矛盾愈發(fā)尖銳。

封裝環(huán)節(jié)被推到技術(shù)演進(jìn)的核心：材料需同時滿足電、熱、機(jī)械與可靠性要求；工藝需跨越晶圓、面板與系統(tǒng)三重尺度；功能則從簡單保護(hù)升級為電-熱-信號-密封一體化協(xié)同。

本文以“材料—密封—連接”三維分類為主線，以“芯片級—板級—系統(tǒng)級”三級封裝為框架，系統(tǒng)梳理半導(dǎo)體封裝技術(shù)如何應(yīng)對尺寸、密度、功率、成本與可靠性五大挑戰(zhàn)，分述如下：

芯片封裝概述

封裝概念及功能

封裝等級

封裝分類

1.芯片封裝概述

微電子與集成電路技術(shù)作為當(dāng)代信息技術(shù)的核心支柱，其發(fā)展深度融合了材料科學(xué)、精密制造、電子工程與計算機(jī)輔助設(shè)計等多領(lǐng)域前沿成果，形成了一套高度復(fù)雜且精密的系統(tǒng)工程體系。該領(lǐng)域以半導(dǎo)體工藝為基礎(chǔ)，通過在硅片上集成電阻、電容、二極管、三極管及場效應(yīng)管等元件，構(gòu)建具備特定功能的電路模塊，其制造流程涵蓋晶圓加工、封裝測試兩大核心環(huán)節(jié)，并衍生出多樣化的技術(shù)分支與應(yīng)用場景。

從分類維度審視，集成電路的傳統(tǒng)框架以電氣功能劃分為數(shù)字與模擬兩大類別。數(shù)字集成電路聚焦離散信號處理，涵蓋邏輯門電路、觸發(fā)器、計數(shù)器等基礎(chǔ)組件，延伸至微處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）及存儲器陣列（RAM/ROM/Flash）。其中，可編程邏輯器件（FPGA、GAL）與專用集成電路（ASIC）的演進(jìn)，進(jìn)一步推動了定制化計算能力的突破。模擬集成電路則側(cè)重連續(xù)信號調(diào)控，包含運算放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）、電源管理模塊及光電器件（如光電耦合器、激光二極管），在音頻處理、射頻通信及工業(yè)控制等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。值得注意的是，混合信號電路的興起正模糊傳統(tǒng)分類邊界，例如集成了模擬前端與數(shù)字處理單元的SoC（系統(tǒng)級芯片）解決方案。

制造工藝層面，半導(dǎo)體集成電路依托平面工藝技術(shù)，通過氧化、光刻、擴(kuò)散及離子注入等步驟實現(xiàn)晶體管級集成，而混合集成電路則結(jié)合薄膜（真空蒸發(fā)、濺射）與厚膜（絲網(wǎng)印刷）工藝，將無源元件與有源器件集成于同一基板，形成高性能混合模塊。當(dāng)前，先進(jìn)制程節(jié)點已突破3nm工藝，極紫外光刻（EUV）與多重圖案化技術(shù)成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵，同時三維堆疊技術(shù)（如3D NAND、HBM內(nèi)存）與異構(gòu)集成（CoWoS、InFO）正重塑封裝技術(shù)格局。

從設(shè)計流程分析，現(xiàn)代集成電路開發(fā)遵循"指標(biāo)定義-架構(gòu)設(shè)計-物理實現(xiàn)-驗證測試"的閉環(huán)體系。電路設(shè)計高度依賴EDA工具鏈，尤其是數(shù)字電路通過高層次綜合（HLS）與硬件描述語言（Verilog/VHDL）實現(xiàn)功能建模，而模擬電路則需結(jié)合SPICE仿真與工藝參數(shù)校準(zhǔn)。工藝設(shè)計套件（PDK）的完善性直接影響設(shè)計效率，成熟制程通常采用標(biāo)準(zhǔn)單元庫，而前沿節(jié)點則需定制化IP核與先進(jìn)封裝協(xié)同優(yōu)化。值得注意的是，人工智能驅(qū)動的EDA工具正在改變傳統(tǒng)設(shè)計范式，通過機(jī)器學(xué)習(xí)加速布局布線、時序收斂及良率預(yù)測。

制造端的前道工序（晶圓廠）聚焦晶體管構(gòu)建與互連層沉積，涉及清洗、氧化、光刻、蝕刻及離子注入等精密操作，單片晶圓需經(jīng)歷數(shù)百道工序方可形成完整電路。后道工序（封裝廠）則通過切割、貼裝、引線鍵合及塑封等步驟實現(xiàn)芯片封裝，先進(jìn)封裝技術(shù)如扇出型封裝（Fan-Out）、硅通孔（TSV）及芯片級封裝（CSP）顯著提升集成密度與信號傳輸效率。測試環(huán)節(jié)貫穿全流程，晶圓探針測試（CP Test）與成品測試（FT Test）通過電氣參數(shù)篩選確保良率，而老化測試（Burn-In）則用于驗證長期可靠性。

行業(yè)動態(tài)方面，第三代半導(dǎo)體材料（SiC、GaN）在功率器件領(lǐng)域的滲透率持續(xù)提升，碳化硅MOSFET已廣泛應(yīng)用于新能源汽車與光伏逆變器。Chiplet技術(shù)通過模塊化集成不同制程節(jié)點芯片，有效平衡性能與成本。此外，量子計算芯片與神經(jīng)擬態(tài)芯片的研發(fā)突破，預(yù)示著后摩爾時代計算范式的革新方向。在應(yīng)用端，5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)及汽車電子的蓬勃發(fā)展，持續(xù)推動集成電路向高性能、低功耗、高可靠性方向演進(jìn)，形成從芯片設(shè)計到系統(tǒng)集成的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)。

2.封裝概念及功能

封裝技術(shù)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展歷程深刻反映了電子工程從分立器件到系統(tǒng)集成的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)。在真空管時代，電子元件的組裝僅停留在物理固定與電氣連接層面，而半導(dǎo)體器件的微型化與高性能化需求，催生了現(xiàn)代封裝技術(shù)的核心使命——在保護(hù)芯片的同時，實現(xiàn)其功能與系統(tǒng)的高效適配。

從技術(shù)范疇劃分，封裝可分為狹義與廣義兩個維度。狹義封裝聚焦于芯片級封裝（Chip Scale Package, CSP），其本質(zhì)是將晶圓廠輸出的裸片（Die）通過基板（Substrate）承載、引線鍵合（Wire Bonding）或倒裝芯片（Flip Chip）技術(shù)實現(xiàn)電氣互聯(lián)，并采用環(huán)氧樹脂等材料完成密封保護(hù)。以經(jīng)典DIP封裝為例，其通過金屬引線框架與塑封體的組合，既確保了芯片與外部電路的連接可靠性，又通過氣密性封裝提升了環(huán)境適應(yīng)性。而廣義封裝則延伸至系統(tǒng)級封裝（System in Package, SiP），涵蓋從芯片級到板級、系統(tǒng)級的全鏈路集成，涉及基板設(shè)計、熱管理、電磁兼容等多維度技術(shù)協(xié)同，最終實現(xiàn)電子系統(tǒng)的小型化、高性能與高可靠性。

封裝的核心功能隨著技術(shù)進(jìn)步不斷拓展，已從單一的機(jī)械保護(hù)演變?yōu)槎辔锢韴?a href="http://cshb120.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合的系統(tǒng)級解決方案。在電能傳遞方面，現(xiàn)代封裝通過優(yōu)化電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN），利用硅通孔（TSV）與重布線層（RDL）技術(shù)，實現(xiàn)納米級芯片到毫米級基板的電壓梯度匹配，同時通過低阻抗材料與布局設(shè)計降低IR Drop效應(yīng)，確保高速數(shù)字電路與高精度模擬電路的電源完整性。信號傳遞功能則聚焦于減小互聯(lián)寄生參數(shù)，通過銅柱凸點（Copper Pillar）與低介電常數(shù)（Low-k）基板材料的應(yīng)用，將信號傳輸路徑縮短至微米級，并結(jié)合電磁仿真技術(shù)優(yōu)化布線拓?fù)?，有效抑制高頻信號的串?dāng)_與衰減，滿足5G通信、人工智能等場景對信號完整性的嚴(yán)苛要求。

熱管理功能在高性能計算芯片中尤為關(guān)鍵，先進(jìn)封裝通過引入石墨烯散熱膜、微流道液冷等技術(shù)，將芯片結(jié)溫控制在安全閾值內(nèi)。例如，3D堆疊封裝采用熱界面材料（TIM）與散熱蓋板（Heat Spreader）的集成設(shè)計，實現(xiàn)垂直方向的熱擴(kuò)散優(yōu)化；而扇出型封裝（Fan-Out）則通過重塑基板結(jié)構(gòu)，提升橫向散熱效率。此外，封裝在電路支撐與保護(hù)方面持續(xù)創(chuàng)新，高密度互連（HDI）基板與柔性封裝材料的應(yīng)用，既增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度，又通過氣密性封裝技術(shù)（如陶瓷封裝）抵御水汽、鹽霧等環(huán)境侵蝕，保障芯片在汽車電子、航空航天等惡劣環(huán)境下的長期可靠性。

行業(yè)動態(tài)方面，Chiplet技術(shù)與異構(gòu)集成的融合正推動封裝技術(shù)向"模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化"方向發(fā)展，AMD的3D V-Cache技術(shù)與Intel的Foveros Direct技術(shù)已實現(xiàn)不同工藝節(jié)點芯片的異構(gòu)集成，顯著提升系統(tǒng)性能與成本效益。同時，人工智能驅(qū)動的封裝設(shè)計工具（如AI-Powered EDA）通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化布線布局與熱管理方案，大幅縮短設(shè)計周期并提升良率。在材料領(lǐng)域，玻璃基板封裝（Glass Core Substrate）憑借其超薄特性與優(yōu)異的高頻性能，成為下一代高頻通信芯片的候選方案；而碳化硅（SiC）基板在功率器件封裝中的應(yīng)用，則有效解決了高電壓、高溫環(huán)境下的散熱難題。

3. 封裝等級

微電子封裝等級體系作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中連接芯片設(shè)計與系統(tǒng)集成的關(guān)鍵紐帶，其層級劃分深刻反映了電子系統(tǒng)從微觀到宏觀的集成邏輯。該體系通常劃分為三級結(jié)構(gòu)，每一級封裝在功能定位、工藝復(fù)雜度及技術(shù)演進(jìn)方向上均呈現(xiàn)出顯著差異，共同構(gòu)建起從芯片到整機(jī)的完整價值鏈條。

一級封裝作為產(chǎn)業(yè)鏈的最前端環(huán)節(jié)，聚焦于芯片級封裝（Chip Level Package），其核心使命是將晶圓廠輸出的裸片（Die）轉(zhuǎn)化為具備獨立功能的電子組件。這一過程涵蓋裂片、貼裝、互聯(lián)及密封四大核心步驟，通過引線鍵合（Wire Bonding）、載帶自動鍵合（TAB）或倒裝芯片鍵合（Flip Chip）等技術(shù)，實現(xiàn)芯片焊區(qū)與外部引腳的電氣連接。一級封裝不僅涉及單芯片組件（SCM）的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，更延伸至多芯片組件（MCM）的異構(gòu)集成，需綜合考慮布線密度、熱管理、機(jī)械支撐等多維度參數(shù)。近年來，先進(jìn)封裝技術(shù)如硅通孔（TSV）、重布線層（RDL）及2.5D/3D堆疊技術(shù)的引入，推動一級封裝從傳統(tǒng)引線框架向高密度互連（HDI）基板演進(jìn)，典型案例包括臺積電的CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）技術(shù)與英特爾的Foveros Direct技術(shù)，通過芯片級集成實現(xiàn)性能與成本的平衡。

二級封裝作為板級封裝（Board Level Package），承擔(dān)著將一級封裝組件與無源器件集成至印制電路板（PCB）或其他基板上的重任。其技術(shù)實現(xiàn)路徑涵蓋通孔安裝（THT）、表面貼裝（SMT）及芯片直接安裝（ADCA）等工藝，需解決高密度布線、信號完整性及熱應(yīng)力控制等關(guān)鍵問題。二級封裝的核心價值在于實現(xiàn)芯片級功能模塊向板級系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，例如顯卡、PCI數(shù)據(jù)采集卡等典型產(chǎn)品均屬此類。值得關(guān)注的是，系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)的興起正模糊一級與二級封裝的邊界，通過將多個功能芯片集成于單一基板，實現(xiàn)小型化與高性能的雙重目標(biāo)。在材料領(lǐng)域，柔性電路板（FPC）與嵌入式無源器件技術(shù)的突破，進(jìn)一步提升了二級封裝的適應(yīng)性與可靠性。

三級封裝作為系統(tǒng)級封裝（System Level Package），致力于將二級封裝的板級組件通過連接器、線束或柔性電路板互聯(lián)為三維立體系統(tǒng)。這一層級的技術(shù)難點在于實現(xiàn)多板級模塊的高密度互連與熱管理協(xié)同，典型應(yīng)用包括PC主機(jī)、PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及汽車GPS導(dǎo)航儀等復(fù)雜電子系統(tǒng)。隨著模塊化設(shè)計理念的普及，三級封裝正從傳統(tǒng)的立體組裝向功能子系統(tǒng)集成演進(jìn)，例如邊緣計算設(shè)備中的AI加速模塊、5G基站中的射頻前端模組等，均需通過三級封裝實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化。在工藝創(chuàng)新方面，疊層組裝技術(shù)與三維互連技術(shù)的融合，推動系統(tǒng)集成密度突破毫米級限制，同時結(jié)合AI驅(qū)動的設(shè)計工具，顯著縮短從概念到量產(chǎn)的周期。

行業(yè)動態(tài)方面，一級封裝領(lǐng)域正經(jīng)歷從"功能封裝"向"性能增強(qiáng)"的轉(zhuǎn)型，玻璃基板封裝憑借其超薄特性與高頻性能優(yōu)勢，成為下一代高頻通信芯片的候選方案；二級封裝中，高密度互連（HDI）基板與嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）技術(shù)的商業(yè)化，有效解決了5G終端對小型化與高帶寬的需求；三級封裝領(lǐng)域，模塊化設(shè)計與即插即用（Plug-and-Play）理念的結(jié)合，推動電子系統(tǒng)從硬件定義向軟件定義演進(jìn)，例如可重構(gòu)計算平臺通過動態(tài)配置三級封裝模塊，實現(xiàn)功能與性能的靈活調(diào)整。這些技術(shù)突破共同構(gòu)建起封裝等級體系的創(chuàng)新生態(tài)，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)賦能。

4. 封裝分類

半導(dǎo)體封裝技術(shù)的分類體系深刻反映了材料科學(xué)、工藝創(chuàng)新與應(yīng)用需求的多元融合，其演進(jìn)路徑始終圍繞提升集成密度、優(yōu)化電氣性能及降低系統(tǒng)成本三大核心目標(biāo)展開。當(dāng)前封裝分類主要依據(jù)材料屬性、密封方式及連接工藝等維度，同時伴隨先進(jìn)封裝技術(shù)的突破，傳統(tǒng)分類邊界正被重新定義。

從材料維度審視，封裝技術(shù)可劃分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬-陶瓷復(fù)合封裝及塑料封裝四大類別。金屬封裝憑借其精密加工特性，在高頻器件領(lǐng)域占據(jù)獨特地位，例如采用銅鎢合金封裝的微波功率模塊，通過金屬的高導(dǎo)熱性實現(xiàn)高效熱管理，同時利用精密沖壓工藝確保引腳間距誤差控制在微米級。陶瓷封裝則依托氧化鋁、氮化鋁等材料的低介電常數(shù)與高絕緣性能，成為高速數(shù)字電路與射頻器件的首選方案，典型應(yīng)用如采用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的5G基站射頻前端模組，其多層陶瓷基板可集成無源器件與傳輸線，顯著提升信號完整性。金屬-陶瓷復(fù)合封裝通過釬焊工藝將金屬框架與陶瓷基板結(jié)合，既解決兩者熱膨脹系數(shù)失配問題，又兼具金屬的屏蔽特性與陶瓷的電氣性能，在航天器用X波段T/R組件中已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。塑料封裝的材料體系正從傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂向高耐熱、低吸水率的聚酰亞胺（PI）與液晶聚合物（LCP）演進(jìn)，例如采用LCP基板的射頻封裝，可支持毫米波頻段信號傳輸，滿足5G終端對小型化的需求。

密封性分類將封裝劃分為氣密性封裝與非氣密性封裝兩大陣營。氣密性封裝通過金屬焊料或玻璃熔封工藝實現(xiàn)芯片與外界環(huán)境的完全隔離，其內(nèi)部填充氮氣或惰性氣體，有效抵御水汽、鹽霧及有害氣體侵蝕，在航天器用星載計算機(jī)、艦船用功率模塊等嚴(yán)苛環(huán)境中不可或缺。非氣密性封裝以環(huán)氧樹脂模塑為主，通過添加填料優(yōu)化熱膨脹系數(shù)，近年開發(fā)的雙組份環(huán)氧樹脂已實現(xiàn)175℃高溫下的可靠密封，同時通過納米填料技術(shù)將吸水率控制在0.1%以下，逐步替代部分傳統(tǒng)氣密性封裝場景。值得關(guān)注的是，三維集成封裝（3DIC）通過硅通孔（TSV）與臨時鍵合技術(shù)，在芯片級實現(xiàn)氣密性保護(hù)，推動密封性概念從宏觀封裝向微觀集成延伸。

按連接工藝劃分，封裝技術(shù)可分為通孔插裝式（PTH）與表面貼裝式（SMT）兩大體系。通孔插裝式封裝以雙列直插式（DIP）與針柵陣列（PGA）為代表，其引腳直徑與間距受限于機(jī)械加工精度，典型引腳節(jié)距為2.54mm，在早期計算機(jī)主板中廣泛應(yīng)用。表面貼裝式封裝通過焊膏印刷與回流焊接工藝，將引腳節(jié)距壓縮至0.4mm以下，典型如薄型小尺寸封裝（TSOP）與球柵陣列（BGA），其中BGA通過焊球陣列實現(xiàn)芯片與基板的高密度互連，焊球直徑已從1.0mm縮小至0.3mm，支撐了移動終端對輕薄化的需求。近年涌現(xiàn)的嵌入式芯片封裝（Embedded Die）技術(shù)，將裸片直接埋入基板內(nèi)部，通過激光鉆孔與電鍍工藝實現(xiàn)垂直互連，其連接密度較傳統(tǒng)SMT提升一個數(shù)量級，成為先進(jìn)封裝領(lǐng)域的技術(shù)前沿。

行業(yè)動態(tài)方面，玻璃基板封裝憑借其超薄特性與高頻性能優(yōu)勢，成為下一代高頻通信芯片的候選方案，英特爾已展示基于玻璃基板的12層互連封裝原型，其信號傳輸損耗較傳統(tǒng)有機(jī)基板降低30%。在材料創(chuàng)新領(lǐng)域，碳納米管（CNT）與石墨烯的引入，為熱管理封裝提供新思路，例如采用CNT散熱膜的功率模塊，其熱導(dǎo)率突破2000W/m·K，較銅基板提升5倍。工藝革新方面，激光輔助鍵合（LAB）與混合鍵合（Hybrid Bonding）技術(shù)的突破，推動芯片級互連節(jié)距進(jìn)入亞微米時代，臺積電的SoIC（System on Integrated Chips）技術(shù)已實現(xiàn)3μm節(jié)距的芯片堆疊，為三維系統(tǒng)集成開辟新路徑。這些技術(shù)演進(jìn)正重塑封裝分類體系，推動行業(yè)從"工藝驅(qū)動"向"設(shè)計驅(qū)動"轉(zhuǎn)型。