先进与传统封装的最大区别在于芯片与外部系统的电连接方式。
中间层等。先进封装的四要素包括RDL(再分布层技术)、TSV(硅通孔)、 Bump(凸块)、Wafer(晶圆),任何一款封装如果具备了四要素中的任意一个,都可以称之为先进封装。在先进封装的四要素中,RDL起着 XY平面电气延伸的作用,TSV起着Z轴电气延伸的作用,Bump起着界面互联和应力缓冲的作用,Wafer则作为 集成电路的载体以及RDL和TSV的介质和载体。 下文我们重点讨论凸块( Bump )、倒装(FlipChip)、晶圆级封装(Wafer level package)、再分布层技术 (RDL)和硅通孔(TSV)。
(1)凸块(Bump):是在芯片上制作凸块,通过在芯片表面制作金属凸块提供芯片电气互连的“点”接口, 广泛应用于 FC、WLP等先进封装。经过多年的发展,凸块制作的材质主要有金、铜、铜镍金、锡等,不同金 属材质适用于不同芯片的封装。

铜柱凸块(Cu Pillar)制造流程主要包括UBM溅射、厚胶光刻、电镀、去胶和UBM刻蚀等工序。①采用溅射 或其他PVD的方式在晶圆表面沉积一层铜作为电镀的种子层;②在晶圆表面涂一定厚度的光刻胶并光刻出所 需图形;③对晶圆进行电镀,通过控制电镀电流大小、电镀时间等,从光刻胶开窗图形底部生长并得到一定 厚度的金属层;④去除多余光刻胶。
(2)倒装(FlipChip, FC):通过将芯片颠倒封装在基板上,芯片与外部系统主要通过焊球或凸块实现链接, 封装更为紧凑。具体来看,FC是在I/O pad上沉积锡铅球,然后将芯片翻转加热,利用熔融的锡铅球与陶瓷 基板相结合,当前主要应用于CPU、GPU及芯片组等产品,CPU及内存条等电子产品是最常见的应用倒装芯 片技术的器件。 与传统的引线键合相比,FC的芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下,由于I/O引出端分布于整 个芯片表面,在封装密度和处理速度上FC显著高于引线键合技术,特别是它可以采用类似SMT技术的手段 来加工。
(3)晶圆级封装(Wafer-level packaging, WLP):不同于传统封装工艺,WLP在芯片还在晶圆上的时候就 对芯片进行封装,保护层可以黏接在晶圆的顶部或底部,然后连接电路,再将晶圆切成单个芯片。晶圆级芯 片封装又可分为扇入型(Fan-in WLP)和扇出型(Fan-out WLP),扇入型将导线和锡球固定在晶圆顶部,而 扇出型则将芯片重新排列为模塑晶圆,二者最大的区别在于扇出型引脚数多于扇入型、封装尺寸较大,在大 批量生产时,扇入型通常比扇出型更经济,因为制造过程相对简单,然而如果需要更高的I/O引脚数量或更复 杂的设计,扇出型可能是更好的选择。WLP已广泛用于闪速存储器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD 驱动器、射频器件、逻辑器件、电源/电池管理器件和模拟器件 (稳压器、温度传感器、控制器、运算放大器、 功率放大器)等领域。
(4)再分布层技术(Redistribution layer,RDL):在晶圆表面沉积金属层和相应的介质层,并形成金属布 线,对IO端口进行重新布局,将其布局到新的、占位更为宽松的区域,并形成面阵列排布。在芯片设计和制 造时,IO 端口一般分布在芯片的边沿或者四周,这对于引线键合工艺来说很方便,但对于倒装技术来说就有 些困难,因此RDL应运而生。在芯片封装过程中,RDL 用于重新分配芯片上的电路布线,将其连接到封装基 板上的引脚或其他组件,这有助于实现更复杂的电路连接、提高性能并减小封装面积。
晶圆级封装中RDL是最为关键的技术,通过RDL将IO端口进行扇入或者扇出;在2.5D封装中,通过RDL将网 络互联并分布到不同的位置,从而将硅基板上方芯片的Bump和基板下方的Bump连接;在3D 封装中,堆叠上 下是不同类型芯片时需要RDL重布线层将上下层芯片的IO进行对准,从而完成电气互联。

(5)硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV):在芯片内部垂直穿透硅片并连接芯片顶部和底部的金属线, 主要作用是实现不同芯片层级之间的电信号连接。TSV可分为2.5D和3D,2.5D需要中介层Inteposer,典型应用 为台积电的CoWos(Chip-on-Wafer-on-Substrate) ,3D无需中介层,典型应用为SK海力士、三星的HBM (High Bandwidth Memory) 。
TSV的制作主要包括六个关键的工艺步骤,以前通孔为例:①通过深反应离子刻蚀技术或者激光打孔技术制作 YSV;②通过热氧化技术或者等离子体增强化学气相沉积;③通过物理气相沉积技术制作阻挡层和种子层; ④通过电镀技术将铜填充于TSV中;⑤通过化学机械抛光技术去除多余的铜;⑥TSV Cu外露。