中国制造之高端制造封装基板行业深度报告.docx

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中国制造之高端制造封装基板行业深度报告

中国制造之高端制造封装基板行业深度报告

一、半导体封装基础

1.1.半导体制造工艺流程

半导体制造的工艺过程由晶圆制造（WaferFabrication）、晶圆测试（waferProbe/Sorting）、芯片封装（Assemble）、测试（Test）以及后期的成品（FinishGoods）入库所组成。

半导体器件制作工艺分为前道和后道工序，晶圆制造和测试被称为前道（FrontEnd）工序，而芯片的封装、测试及成品入库则被称为后道（BackEnd）工序，前道和后道一般在不同的工厂分开处理。

前道工序是从整块硅圆片入手经多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。

后道工序是从由硅圆片分切好的一个一个的芯片入手，进行装片、固定、键合联接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性，并便于与外电路联接。

1.2.微电子封装和封装工程

1.2.1.封装的基本定义和内涵封装（packaging，PKG）：

主要是在半导体制造的后道工程中完成的。

即利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺。

封装工程：

是封装与实装工程及基板技术的总和。

即将半导体、电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学技术，统称为电子封装工程。

封装一词用于电子工程的历史并不长。

在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为组装或装配，当时还没有封装这一概念。

自从三极管、IC等半导体元件的出现，改变了电子工程的历史。

一方面，这些半导体元件细小柔嫩；另一方面，其性能又高，而且多功能、多规格。

为了充分发挥其功能，需要补强、密封、扩大，以便与外电路实现可靠地电气联接，并得到有效地机械支撑、绝缘、信号传输等方面的保护作用。

“封装”的概念正是在此基础上出现的。

1.2.2.封装的功能封装最基本的功能是保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。

所以，在最初的微电子封装中，是用金属罐（MetalCan）作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。

但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。

一般来说顾客所需要的并不是芯片，而是由芯片和PKG构成的半导体器件。

PKG是半导体器件的外缘，是芯片与实装基板间的界面。

因此无论PKG的形式如何，封装最主要的功能应是芯片电气特性的保持功能。

通常认为，半导体封装主要有电气特性的保持、芯片保护、应力缓和及尺寸调整配合四大功能，它的作用是实现和保持从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。

目前，集成电路芯片的I/O线越来越多，它们的电源供应和信号传送都是要通过封装来实现与系统的连接。

芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日趋严重，由于芯片钝化层质量的提高，封装用以保护电路功能的作用其重要性正在下降。

1.2.3.封装的范围1.微电子封装的三个层次通常，从FAB厂制造的晶圆开始，可以将电子封装，按照制造的时间先后顺序分为三个层次。

2.微电子封装工程和电子基板微电子封装是一个复杂的系统工程，类型多、范围广，涉及各种各样材料和工艺。

可按几何维数将电子封装分解为简单的“点、线、面、体、块、板”等。

电子基板是半导体芯片封装的载体，搭载电子元器件的支撑，构成电子电路的基盘，按其结构可分为普通基板、印制电路板、模块基板等几大类。

其中PCB在原有双面板、多层板的基础上，近年来又出现积层（build-up）多层板。

模块基板是指新兴发展起来的可以搭载在PCB之上，以BGA、CSP、TAB、MCM为代表的封装基板（PackageSubstrate，简称PKG基板）。

小到芯片、电子元器件，大到电路系统、电子设备整机，都离不开电子基板。

近年来在电子基板中，高密度多层基板所占比例越来越大。

微电子封装所涉及的各个方面几乎都是在基板上进行或与基板相关。

在电子封装工程所涉及的四大基础技术，即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、封接与封装技术中，基板技术处于关键与核心地位。

随着新型高密度封装形式的出现，电子封装的许多功能，如电气连接，物理保护，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化、标准化等，正逐渐部分或全部的由封装基板来承担。

微电子封装的范围涉及从半导体芯片到整机，在这些系统中，生产电子设备包括6个层次，也即装配的6个阶段。

我们从电子封装工程的角度，按习惯一般称层次1为零级封装；层次2为一级封装；层次3为二级封装；层次4、5、6为三级封装。

3.封装基板和封装分级从硅圆片制作开始，微电子封装可分为0、1、2、3四个等级，涉及上述六个层次，封装基板（PKG基板或Substrate）技术现涉及1、2、3三个等级和2～5的四个层次。

封装基板主要研究前3个级别的半导体封装（1、2、3级封装），0级封装暂与封装基板无关，因此封装基板一般是指用于1级2级封装的基板材料，母板（或载板）、刚挠结合板等用于三级封装。

1.2.4.传统集成电路（IC）封装的主要生产过程IC的封装工艺流程可分为晶元切割、晶元粘贴、金线键合、塑封、激光打印、切筋打弯、检验检测等步骤。

1.3.半导体封装技术和工艺

1.3.1.半导体封装技术1.芯片封装的实质传统意义的芯片封装一般指安放集成电路芯片所用的封装壳体，它同时可包含将晶圆切片与不同类型的芯片管脚架及封装材料形成不同外形的封装体的过程。

从物理层面看，它的基本作用为：

为集成电路芯片提供稳定的安放环境，保护芯片不受外部恶劣条件（例如灰尘，水气）的影响。

从电性层面看，芯片封装同时也是芯片与外界电路进行信息交互的链路，它需要在芯片与外界电路间建立低噪声、低延迟的信号回路。

然而不论封装技术如何发展，归根到底，芯片封装技术都是采用某种连接方式把晶圆切片上的管脚与引线框架以及封装壳或者封装基板上的管脚相连构成芯片。

而封装的本质就是规避外界负面因素对芯片内部电路的影响，同时将芯片与外部电路连接，当然也同样为了使芯片易于使用和运输。

芯片封装技术越来越先进，管角间距越来越小，管脚密度却越来越高，芯片封装对温度变化的耐受性越来越好，可靠性越来越高。

另外一个重要的指标就是看，芯片与封装面积的比例。

此外，封装技术中的一个主要问题是芯片占用面积，即芯片占用的印刷电路板（PCB）的面积。

从早期的DIP封装，当前主流的CSP封装，芯片与封装的面积比可达1:

1.14，已经十分接近1:

1的理想值。

而更先进MCM到SIP封装，从平面堆叠到垂直堆叠，芯片与封装的面积相同的情况下进一步提高性能。

2.封装技术工艺发展历程

半导体封装技术的发展历史可划分为三个阶段。

在此背景下，焊球阵列封装（BGA）获得迅猛发展，并成为主流产品。

BGA按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装（PBGA），陶瓷焊球阵列封装（CBGA），载带焊球阵列封装（TBGA），带散热器焊球阵列封装（EBGA）,以及倒装芯片焊球阵列封装（FC-BGA）等。

为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求，在BGA的基础上又发展了芯片级封装（CSP）;CSP又包括引线框架型CSP、柔性插入板CSP、刚性插入板CSP、园片级CSP等各种形式，目前处于快速发展阶段。

同时，多芯片组件（MCM）和系统封装（SiP）也在蓬勃发展，这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。

MCM按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板MCM（MCM-C）、多层薄膜基板MCM（MCM-D）、多层印制板MCM（MCM-L）和厚薄膜混合基板MCM（MCM-C/D）等多种形式。

SIP是为整机系统小型化的需要，提高半导体功能和密度而发展起来的。

SIP使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。

目前，半导体封装处于第三阶段的成熟期与快速增长期，以BGA/CSP等主要封装形式开始进入规模化生产阶段。

同时，以SiP和MCM为主要发展方向的第四次技术变革处于孕育阶段。

3.半导体封装材料半导体元件的封接或封装方式分为气密性封装和树脂封装两大类，气密性封装又可分为金属封装、陶瓷封装和玻璃封装。

封接和封装的目的是与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，除了起保护和电气绝缘作用外，同时还起向外散热及应力缓和作用。

一般来说，气密性封装可靠性高，但价格也高。

目前由于封装技术及材料的改进，树脂封装已占绝对优势，但在有些特殊领域（军工、航空、航天、航海等），气密性封装是必不可少的。

按封装材料可划分为：

金属封装、陶瓷封装（C）、塑料封装（P）。

采用前两种封装的半导体产品主要用于航天、航空及军事领域，而塑料封装的半导体产品在民用领域得到了广泛的应用。

目前树脂封装已占世界集成电路封装市场的98%，97%以上的半导体器件的封装都采用树脂封装，在消费类电路和器件领域基本上是树脂封装一统天下，而90%以上的塑封料是环氧树脂塑封料和环氧液体灌封料。

4.芯片电学（零级封装）互连在一级封装中,有个很重要的步骤就是将芯片和封装体（进行电学互连的过程，通常称为芯片互连技术或者芯片组装。

为了凸显其重要性,有些教科书也将其列为零级封装。

也就是将芯片上的焊盘或凸点与封装体通常是引线框架用金属连接起来。

在微电子封装中,半导体器件的失效约有一是由于芯片互连引起的,其中包括芯片互连处的引线的短路和开路等，所以芯片互连对器件的可靠性非常重要。

常见的芯片电学互连有三种方式,分别是引线键合，载带自动焊和倒装焊。

通常，TAB和FC虽然互连的电学性能要比好，但是都需要额外的设备。

因此,对于I/O数目较少的芯片，TAB和FC成本很高，另外，在3D封装中，由于芯片堆叠,堆叠的芯片不能都倒扣在封装体上,只能通过WB与封装体之间进行互连。

基于这些原因,到目前为止,WB一直是芯片互连的主流技术,在芯片电学互连中占据非常重要的地位。

1.3.2.半导体封装的典型封装工艺简介依据封装管脚的排布方式、芯片与PCB板连接方式以及发展的时间先后顺序，半导体封装可划分为PTH封装（Pin-Through-Hole）和SMT封装（Surface-Mount-Technology）二大类，即通常所称的插孔式（或通孔式）和表面贴装式。

1.针脚插装技术（PTH）针脚插装封装，顾名思义即在芯片与目标板的连接过程中使用插装方式，古老而经典DIP封装即属于该种封装形式。

在早期集成电路中由于芯片集成度不高，芯片工作所需的输入/输出管脚数较少，所以多采用该种封装形式。

DIP封装有两种衍生封装形式，即为：

SIP和ZIP，只是为适应不同的应用领域，对传统DIP封装在封装壳管脚排布和形状上略有改进。

2.表面贴装封装（SMT）PTH封装在机械连接强度上的优势毋庸质疑，但同时也带来一些负面效应。

PTH封装中使用的贯通孔将大量占用PCB板有效布线面积，因此目前主流的PCB板设计中多使用表面贴片封装。

表面贴片封装有很多种类，常用的封装形式有：

◼小型塑封晶体管（SmallOutlineTransistor，SOT）◼小引出线封装（SmallOutlinePackage，SOP）◼四方扁平无引线封装（QuadFlatNo-leadPackage，QFN）◼薄小缩小外形封装（ThinSmallShr