第1章 三维封装发展概述
1.1 封装技术发展
自硅晶体管商业化以来，半导体芯片已经广泛地应用在计算机、通信、汽车电子和工业电子等领域，给人们的生活带来了巨大的便利［1，2］。半导体芯片的发展直接或间接地推动了人类社会的发展。一般情况下，芯片制造过程主要包括前道（Front End of Line，FEOL）工艺、后道（Back End of Line，BEOL）工艺。前道工艺主要完成晶体管相关结构的制造；后道工艺用来完成互连层的制备，也就是将前道工艺制作的晶体管通过多层导电孔和金属线路层连接起来以实现各种功能。芯片制作完成之后，需要通过封装工艺完成芯片和系统之间的互连，为芯片提供电源分配、信号分配、保护和散热等功能。随着芯片制造技术的不断提升，微电子封装技术也实现了飞速发展［3-6］。
绝大多数的半导体芯片都需要经过封装，以保证芯片能够正常工作，且不受外部恶劣环境的影响。封装主要有五种基本功能：①信号分配，作为器件与电路板之间电学信号的互连通道，将信号从密集的芯片焊盘区散布到更大的空间；②电源分配，实现器件与电路板之间电源电压的分配和导通；③散热通道，将器件产生的热量传递到外部空间（如散热器），以保证器件工作在可承受的温度范围内；④机械支撑，为器件提供一个牢固可靠的机械支撑，使其适应不同的工作环境和外部条件变化；⑤器件保护，防止受到外界电磁、湿气、灰尘、振动等复杂环境的影响，提高器件的可靠性和寿命。
20世纪60年代，Fairchild公司发明了一种14个引脚并成两排的陶瓷双列直插封装（DIP）［7］，并在20世纪70年代初投入批量生产。随后，基于塑封的表面贴装型封装［8， 9］，如四面扁平封装（QFP）、小外形封装（SOP）等开始陆续出现。20世纪80年代，受到计算机、网络等高端芯片的推动，球栅阵列（BGA）［10］和针栅阵列（PGA）［11］封装被发明出来以解决越来越多的I/O问题。随后，低成本的有机层压板开始取代最初的陶瓷基板［12， 13］，降低成本的同时进一步提高了布线密度。20世纪90年代，受笔记本电脑、电话等电子设备驱动，半导体封装继续向小型化方向发展，各种类型的芯片尺寸封装（CSP）应运而生，如四面扁平无引脚（QFN）封装［14， 15］、圆片级芯片尺寸封装（WLCSP）［16］等，以小尺寸的优势一直沿用至今。
进入21世纪，伴随着各种轻薄、便携的手持移动电子设备的迅速增长，人工智能（Artificial Intelligence，AI）、物联网（Internet of Things，IoT）、自动驾驶（Autonomous Vehicles）、5G和增强现实/虚拟现实（Augmented Reality，AR/Virtual Reality，VR）等新兴应用领域不断涌现，不仅改变着人们的生活，也显著地影响着集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片的发展进程。基于新兴领域的需求，半导体行业的发展趋势主要有：①延续摩尔定律；②拓展摩尔（More than Moore）定律的应用；③增加集成度；④技术快速更新迭代。先进封装技术的重要性越来越突出，因此其迅速发展以满足新兴应用领域的需求。特别是在2010年以后，圆片级封装（Wafer Level Packaging，WLP）、2.5D中介层（2.5D Interposer）、三维集成电路（Three Dimensional Integrated Circuits，3DIC）［17-19］、扇出（Fan-Out，FO）型封装等技术的研发及产业化，极大地提升了先进封装技术水平。从线宽互连尺寸来讲，在过去几十年，线宽从1000μm缩小到1μm，甚至亚微米。图1-1所示为主要封装技术的发展趋势。
图1-1 主要封装技术的发展趋势
先进封装向着系统集成、高速、高频、三维（3D）和超细互连节距（Pitch）方向发展；3D圆片级封装成为多方争夺的焦点，以台积电、英特尔、三星半导体为代表的代工厂（Foundry）或IDM企业在先进封装技术研发与产业化方面具有技术、人才和资源优势，利用前道技术的前道封装技术逐渐显现，引领封装技术创新发展。
当前，先进封装技术主要包括倒装芯片（Flip Chip）封装、圆片级芯片尺寸封装、扇出型封装、3D圆片级芯片尺寸封装（3D WLCSP）、3DIC集成、2.5D中介层封装六项重要技术。图1-2所示为先进封装技术平台与工艺，其中绝大部分封装技术与圆片级封装技术息息相关。圆片级封装在实现器件高性能、多功能封装的同时，可以充分利用圆片级工艺的批量生产、低成本、高精度制造和易实现小尺寸封装等优势。支撑圆片级先进封装技术的主要工艺包括微凸点（Microbump）制作与微组装、再布线、植球、堆叠集成方式、临时键合/拆键合、硅通孔（Through Silicon Via，TSV）互连工艺等。先进封装技术需要不断创新发展，以适应更加复杂的3D集成需求。
图1-2 先进封装技术平台与工艺