半导体封装工艺的等级、作用、发展趋势和清洗介绍
发布日期：2023-06-09
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一、半导体封装工艺的四个等级
电子封装技术与器件的硬件结构有关。这些硬件结构包括有源元件1（如半导体）和无源元件2（如电阻器和电容器3）。因此，电子封装技术涵盖的范围较广，可分为0级封装到3级封装等四个不同等级。图1展示了半导体封装工艺的整个流程。首先是0级封装，负责将晶圆切割出来；其次是1级封装，本质上是芯片级封装；接着是2级封装，负责将芯片安装到模块或电路卡上；最后是3级封装，将附带芯片和模块的电路卡安装到系统板上。从广义上讲，整个工艺通常被称为“封装”或“装配”。然而，在半导体行业，半导体封装一般仅涉及晶圆切割和芯片级封装工艺。1有源元件：一种需要外部电源才能实现其特定功能的器件，就像半导体存储器或逻辑半导体。2无源元件：一种不具备放大或转换电能等主动功能的器件。3电容器（Capacitor）：一种储存电荷并提供电容量的元件。
▲图1：半导体的封装等级
封装通常采用细间距球栅阵列（FBGA）或薄型小尺寸封装（TSOP）的形式，如图2所示。FBGA封装中的锡4球和TSOP封装中的引线5分别充当引脚，使封装的芯片能够与外部组件之间实现电气和机械连接。
4锡（Solder）：一种低熔点金属，支持电气和机械键合。5引线（Lead）：从电路或元件终端向外引出的导线，用于连接至电路板。
▲图2：半导体封装示例
二、 半导体封装的作用
图3展示了半导体封装的四个主要作用，包括机械保护、电气连接、机械连接和散热。其中，半导体封装的主要作用是通过将芯片和器件密封在环氧树脂模塑料（EMC）等封装材料中，保护它们免受物理性和化学性损坏。尽管半导体芯片由数百个晶圆工艺制成，用于实现各种功能，但主要材质是硅。硅像玻璃一样，非常易碎。而通过众多晶圆工艺形成的结构同样容易受到物理性和化学性损坏。因此，封装材料对于保护芯片至关重要。
▲图3：半导体封装的作用
此外，半导体封装可以实现从芯片到系统之间的电气和机械连接。封装通过芯片和系统之间的电气连接来为芯片供电，同时为芯片提供信号的输入和输出通路。在机械连接方面，需将芯片可靠地连接至系统，以确保使用时芯片和系统之间连接良好。同时，封装需将半导体芯片和器件产生的热量迅速散发出去。在半导体产品工作过程中，电流通过电阻时会产生热量。如图3所示，半导体封装将芯片完全地包裹了起来。如果半导体封装无法有效散热，则芯片可能会过热，导致内部晶体管升温过快而无法工作。因此，对于半导体封装技术而言，有效散热至关重要。随着半导体产品的速度日益加快，功能日益增多，封装的冷却功能也变得越来越重要。
三、半导体封装的发展趋势
图4概述了近年来半导体封装技术的六大发展趋势。分析这些趋势有助于我们了解封装技术如何不断演变并发挥作用。首先，由于散热已经成为封装工艺的一个重要因素，因此人们开发出了热传导6性能较好的材料和可有效散热的封装结构。6热传导：指在不涉及物质转移的情况下，热量从温度较高的部位传递到相邻温度较低部位的过程。可支持高速电信号传输的封装技术也成为了一种重要发展趋势，因为封装会限制半导体产品的速度。例如，将一个速度达每秒20千兆 (Gbps) 的半导体芯片或器件连接至仅支持每秒2千兆(Gbps) 的半导体封装装置时，系统感知到的半导体速度将为每秒2千兆 (Gbps)。由于连接至系统的电气通路是在封装中创建，因此无论芯片的速度有多快，半导体产品的速度都会极大地受到封装的影响。这意味着，在提高芯片速度的同时，还需要提升半导体封装技术，从而提高传输速度。这尤其适用于人工智能技术和5G无线通信技术。鉴于此，倒片封装7和硅通孔（TSV）8等封装技术应运而生，为高速电信号传输提供支持。7倒片封装（Flip Chip）：一种通过将凸点朝下安装于基板上，将芯片与基板连接的互连技术。8硅通孔（TSV）：一种可完全穿过硅裸片或晶圆实现硅片堆叠的垂直互连通道。
▲图4：半导体封装技术的发展趋势
四、半导体封装清洗
半导体芯片封装过程中通常会使用助焊剂和锡膏等作为焊接辅料，这些辅料在焊接过程或多或少都会有部分残留物，还包括制程中沾污的指印、汗液、角质和尘埃等污染物。同时，半导体组装了铝、铜、铂、镍等敏感金属和油墨字符、电磁碳膜和特殊标签等相当脆弱的功能材料。这些敏感金属和特殊功能材料对清洗剂的兼容性提出了很高的要求。
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