先进封装之于 ——大有用武之地

△ 图1： 的应用分类。（图源：英飞凌）

值得一提的是，随着 器件的日益普及和广泛应用，出于应用需求，对 器件和模块的封装也提出了新的要求，如低损耗、低感量、高功率密度、高散热性能、高集成度、多功能等，正催生出与硅器件封装技术和产品形式不同的发展路线，目的是利用先进封装工艺满足上述要求，同时提升产品的可靠性。

的先进封装

事实上，先进封装的发展起源于业界头部代工厂，例如，近年来，英特尔在先进工艺的研发方面频频“难产”，逐渐与台积电、三星拉开了差距。因此，英特尔愈发看重先进封装的研发，不断发力先进封装技术。相比传统封装，通过采用先进设计理念和先进集成化加工工艺，先进封装有助于提升芯片功能密度、缩短互连距离和实现系统重构。

现阶段，先进封装类别主要包括倒装焊（Flip-Chip）、晶圆级封装（WLP）、2.5D封装（Interposer（中介层））、3D封装（TSV/TGV/Embedded）、系统级封装（SiP）、小芯片（Chiplet）等。图2显示了先进封装的的要素和功能。

△ 图2：先进封装的要素和功能。

功率电子应用 的封装

几经迭代，功率半导体正在向低阻抗、高功率、高频率特性演变。高功率密度、小尺寸的特性使得GaN和SiC成为功率半导体的新宠，GaN功率电子器件主要以高电子迁移率晶体管（HEMT）为主，在高频功率应用方面有巨大潜力；而SiC功率器件主要是二极管（SBD/JBS）和金属-氧化物半导体场效晶体管（MOSFET），适用于功率在1kW-500kW、工作频率在10kHz-100MHz的场景。两者都可应用于对能量效率和空间尺寸要求较高的应用。

需要指出的是，要充分发挥 材料的优异特性给封装技术带来了一些新的挑战，封装在很大程度上决定了功率半导体器件是否具有更高的功率密度和可靠性，是否能耐受更高的温度，更好地适应恶劣环境。

传统硅基功率器件封装普遍采用引线键合和单面散热技术，存在寄生参数较高、散热效率差的问题。为解决这些问题，无引线互连和双面散热等技术应运而生。

GaN HEMT器件封装路线

GaN HEMT器件封装路线技术发展路线图及先进封装应用实例如图3所示。可以看到，伴随看高频率的升高和功率密度的增加，键合材料和封装方式都在变化，以适应GaN HEMT器件性能的逐步提升。

△ 图3：GaN HEMT器件封装路线图。（图源：电子与封装）

一个应用实例是EPC公司的晶圆级CSP封装方法，为了优化开关性能，最大限度减小封装寄生效应，它采用在钝化芯片的源极、栅极及漏极上形成Bump（凸点），将其直接贴装在PCB上。由于没有键合线，最大限度减小了寄生电感和界面热阻，见图4。

△ 图4：晶圆级CSP封装。（图源：EPC）

另一个应用实例是GaN Systems的定制化嵌入式封装解决方案，采用了独有的专利技术Island Technology，实现大电流芯片性能和良率，同时用GaNPX^®封装技术实现小型封装中的低电感和低热阻，见图5。

△ 图5：定制化嵌入式封装。（图源：GaN Systems）

SiC MOSFET新封装结构

SiC器件的结电容更小，栅极电荷更低，因此开关速度极快。由于开关过程中电压和电流随时间的变化率（dv/dt和di/dt）极高，会出现驱动电压波形过冲和震荡，增加器件电压应力、开关损耗及电磁干扰问题，严重时甚至引起功率器件误开关，因此，SiC功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。针对上述问题，国内外同行开发了一系列新的封装结构，用于减小杂散参数，特别是杂散电感，如表1所示。

表1：SiC器件典型封装结构（中国电机工程学报）

以下分别介绍三类SiC MOSFET的封装形式。

（1）单管翻转贴片封装

阿肯色大学团队借鉴BGA封装技术，提出了一种单管翻转贴片封装技术，见图6。方法是通过一个金属连接件将芯片背部电极翻转到和正面电极相同的平面位置，然后在相应电极位置上植上焊球，以此消除了金属键合线和引脚端子。相比TO-247封装，其体积减小了14倍，导通电阻减小了24%。

△ 图6：单管翻转贴片封装。（图源：University of Arkansas）

（2）芯片正面平面互连封装

平面互连方式不仅可以减小电流回路，进而减小杂散电感和电阻，还具有更出色的温度循环特性和可靠性。

①Cu-Clip（铜夹片）：是一种新型芯片互连技术，利用特殊的铜夹片实现芯片与封装基板的连接，需要采用溅射及电镀或化镀工艺实现芯片表面的金属化处理；

②嵌入式：该方法将芯片置于陶瓷定位槽中，再用绝缘介质填充缝隙，最后覆盖掩膜两面溅射金属铜，以实现电极连接。通过选择合理的封装材料可以减小模块在高温时的层间热应力，并能在279℃的高温下测量模块的正反向特性。平面直连封装工艺通过消除金属键合线，将电流回路从DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的层间布局，显著减小了回路面积，还可实现低杂散电感参数。例如SCHWEIZER公司的p²封装和ASE的嵌入式基板都是将功率半导体嵌入印制电路板的技术，如图7所示。

△ 图10：光电合封截面图。（图源：Yole Group）

2.5D/3D封装难点在于高密度光电载板工艺、高精度的光电芯片组装工艺，以及阵列光纤连接器的耐高温性。

射频通信应用 的封装

射频前端器件的工艺技术分类如图11所示，目前RF SAW滤波器常用的两种封装结构分别为BDMP和WLP。在射频前端器件工艺技术中，RF开关的工艺包括CMOS、硅、砷化镓、氮化镓；RF滤波器采用BAW和SAW工艺；高功率放大器的工艺有砷化镓和氮化镓；放大器工艺主要是氮化镓、氮化镓、SOI、硅锗和硅。

△ 图11：射频前端器件工艺技术分类。（图源：云天半导体）

云天半导体的先进封装

厦门云天半导体科技有限公司（简称云天半导体）成立于2018年7月，致力于高速、高频通信等应用的先进封装与系统集成，通过自主研发与持续创新，为客户提供从产品协同设计、工艺研发到批量生产的全流程解决方案和服务。

云天半导体一期厂房建筑面积约为4500平米，引入国内稀缺的4/6英寸晶圆级3D封装平台，特别针对SAW/FBAR等产品应用；二期厂房建筑面积约为35000平米，已于2022年9月通线，引入4/6/8/12英寸晶圆级封装平台，总体规划产能8万片/月，目前释放产能1万片/月，主要聚焦IPD/WLCSP/FO等封装。

云天半导体的“特色工艺+先进封装”主营业务涵盖以下四大板块：

（1）WLCSP/Bumping（凸点制作）

云天半导体提供0P1M、1P1M、2P2M、3P3M等SolderBall及CopperPillar工艺，见图12。三种成熟的SolderBall实现工艺包括：Print（钢网印刷）、Balldrop（植球）和Plating（电镀）。工艺能力包括化镀NiAu/NiPdAu以及电镀Cu/Ni/SnAg。针对SAW和FBAR产品，具备成熟的CSP封装工艺（化镀UBM+BGA）以及WLP双层膜工艺（电镀RDL结构和电镀填实结构）。

△ 图16：eGFO。（图源：云天半导体）

除了以上四大全流程业务板块外，云天半导体还可承接以下短流程工艺，满足客户的不时之需：

化镀镍金或镍钯金应用涵盖化镀UBM、化镀金属层、化镀Bump、化镀OPM等，见图17/图18。

△ 图17：化镀应用。（图源：云天半导体）

△ 图18：化镀TestVehicle实物效果图。（图源：云天半导体）

化镀工艺能力支持晶圆尺寸、晶圆衬底、Pad形状、最小化镀Pad、阶梯化镀深度、最薄化镀金属层、来料厚度、化镀厚度范围和Passivation等，如表2所示。

表2：化镀工艺能力。

③DPS（CP测试/研磨&切割/分选编带）

DPS的工艺流程包括：分选→切割→晶圆测试→研磨。CP测试设备构架如图19所示。

△ 图19：CP测试设备构架。（图源：云天半导体）

如表3所示，DPS的研磨工艺适用于单一材质和混合材质，具备不同的量产能力和工程样品能力。DPS切割工艺目前主要采用机械切割和激光隐切两种，支持各种晶圆材质。

表3：DPS研磨和切割工艺。（图源：云天半导体）

表4：DPS分选编带设备参数。（图源：云天半导体）

 

总结

今天，集成电路技术已进入“后摩尔时代”，受成本及技术壁垒等因素的限制，先进制程短期内突破难度很大，而通过先进封装提升芯片整体性能并有效降低成本，已成为集成电路产业发展的热门赛道。

厦门云天半导体在先进封测领域深耕多年，具备从4寸、6寸、8寸到12寸全系列晶圆级封装工艺能力，以WLCSP/IPD/TGV/Fan-out等领先创新技术为客户提供系统封装集成解决方案和量产服务。针对化合物导体材料的成熟的WLCSP/Bumping和FO先进封装技术可以实现全流程的Turnkey交付。未来，云天团队将继续发扬“创新、卓越、合作、奋斗”的精神，不断创新，挑战极限，为客户提供更具性价比的解决方案。