晶圆大多是非常脆的硅基材料，直接拿取是非常容易脆断的，所以必须封装起来，并且把线路与外部设备连接，才能出厂。本文详述芯片的封装工艺和相关的设备。封装听起来似乎就是包装，好像比较简单。封装与蚀刻和沉积相比，在一定程度上是要简单一点，但封装同样是一个高科技的行业。传统封装的目的是将切割好的芯片进行固定、引线和封闭保护。但随着半导体技术的快速发展，芯片厚度减小、尺寸增大，及其对封装集成敏感度的提高，基板线宽距和厚度的减小，互联高度和中心距的减小，引脚中心距的减小，封装体结构的复杂度和集成度提高，以及最终封装体的小型化发展、功能的提升和系统化程度的提高。越来越多超越传统封装理念的先进封装技术被提出。先进封装(Advanced Packaging)是本文讨论的重点。
我们先了解一下传统封装，这有利于更好地理解先进封装。传统封装技术发展又可细分为三阶段。
阶段一（1980 以前）：通孔插装（Through Hole，TH）时代
其特点是插孔安装到 PCB 上，引脚数小于 64，节距固定，最大安装密度 10 引脚/cm2，以金属圆形封装（TO）和双列直插封装（DIP）为代表；
阶段二（1980-1990）：表面贴装（Surface Mount，SMT）时代
其特点是引线代替针脚，引线为翼形或丁形，两边或四边引出，节距 1.27-0.44mm，适合 3-300 条引线，安装密度 10-50 引脚/cm2，以小外形封装（SOP）和四边引脚扁平封装（QFP）为代表；
阶段三（1990-2000）：面积阵列封装时代
在单一芯片工艺上，以焊球阵列封装（BGA）和芯片尺寸封装（CSP）为代表，采用“焊球”代替“引脚”，且芯片与系统之间连接距离大大缩短。在模式演变上，以多芯片组件（MCM）为代表，实现将多芯片在高密度多层互联基板上，用表面贴装技术组装成多样电子组件、子系统。
自20世纪90年代中期开始，基于系统产品不断多功能化的需求，同时也由于芯片尺寸封装（CSP）封装、积层式多层基板技术的引进，集成电路封测产业迈入三维叠层封装（3D）时代。这个发展阶段，先进封装应运而生。
先进封装具体特征表现为：
（4）倒装连接、TSV硅通孔连接成为主要键合方式。
先进封装提高加工效率，提高设计效率，减少设计成本。先进封装工艺技术主要包括倒装类（FlipChip,Bumping），晶圆级封装（WLCSP，FOWLP，PLP），2.5D封装（Interposer）和3D封装（TSV）等。以晶圆级封装为例，产品生产以圆片形式批量生产，可以利用现有的晶圆制备设备，封装设计可以与芯片设计一次进行。这将缩短设计和生产周期，降低成本。先进封装以更高效率、更低成本、更好性能为驱动。先进封装技术上通过以点带线的方式实现电气互联，实现更高密度的集成，大大减小了对面积的浪费。SiP技术及PoP技术奠定了先进封装时代的开局，如Flip-Chip（倒装芯片）， WaferLevelPackaging（WLP，晶圆级封装），2.5D封装以及3D封装技术，ThroughSiliconVia（硅通孔，TSV）等技术的出现进一步缩小芯片间的连接距离，提高元器件的反应速度，未来将继续推进着先进封装的进步。
所有这些先进封装技术，被集中起来发展成为了3D封装。3D封装会综合使用倒装、晶圆级封装以及 POP/Sip/TSV 等立体式封装技术，其发展共划分为三个阶段：
第一阶段：采用引线和倒装芯片键合技术堆叠芯片；
第二阶段：采用封装体堆叠（POP）；
3D封装可以通过两种方式实现：封装内的裸片堆叠和封装堆叠。封装堆叠又可分为封装内的封装堆叠和封装间的封装堆叠。
最后，我们列举一下这些主要的先进封装技术：
★ 晶圆级封装（WLP-Wafer level package）★ (POP/Sip/TSV)等3D立体式封装技术
它是特指半导体集成电路元件（IC芯片）的封装，芯片由半导体厂商生产，分为两类，一类是系列标准芯片，另一类是针对系统用户特殊要求的专用芯片，即未加封装的裸芯片（电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成）。分为单芯片封装和多芯片封装两大类。前者是对单个裸芯片进行封装，后者是将多个裸芯片装载在多层基板（陶瓷或有机材料）上进行气密闭封装构成MCM。它是指构成板或卡的装配工序。将多个完成层次2的单芯片封装在PCB板等多层基板上，基板周边设有插接端子，用于与母板及其它板或卡的电气连接。将多个完成层次3的板或卡，通过其上的插接端子搭载在称为母板的大型PCB板上，构成单元组件。它是将多个单元构成（框）架，单元与单元之间用布线或电缆相连接。
它是将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大型电子设备或电子系统。
先进封装的主要设备
了解了封装的工艺，再来看看有哪些实际的操作要做，所需的设备就明确了。这里按工艺步骤列举一些：
- 裸片堆叠。需要晶圆级叠片机。这是一个对可靠性要求极高的设备，因为线路完成后的晶圆很昂贵，而且非常易碎，更重要的对叠片的精度要求更高。目前还没有国产量产的设备。
- 晶圆切割。将Wafer切割成单个芯片。常见有切割机（Saw锯切）、划片机、激光切割机等。
- 芯片堆叠。这个设备的难度在于精度和速度。目前国内有多家厂商在研发这类设备，主要还是速度（产能）方面的差距。
- 封装级光刻蚀刻。这是光刻技术练兵的场所，这里的光刻精度是微米级的，精度高一点的也达到了0.1微米。
- 贴片（把芯片放在基板上）。这一过程需要用到点胶机，贴片机/固晶机/键合机等主要设备，还要用到印刷机，植球机，回熔焊，固化设备，压合设备，清洗设备等。
- 引线键合。主要有Wire bound和Die Bound两类设备。
- 置散热片、散热胶、外壳。这一过程也要用到点胶，灌胶，植片机/固晶机/贴片机，压压合设备，清洗设备等主要设备。
检验。包括检验、测试和分选。
封装所涉及设备比较多，在此先列举这么多。以下流程图可供参考
1、清洗机
这些设备中，清洗机听起来相对简单，但清洗机也绝对不是那么的简单。清洗的优劣，决定着产品的良率，性能及可靠性。有时更决定着工艺过程的成败。
接触芯片的零件的清洗，对尘埃、油污的要求，都是绝对严苛的，有的还要对零件表面的挥发气体进行测量，对表面对不同物质的亲合性进行测量。而要达到这些要求，对清洗工艺的要求也往往非常复杂。一条清洗线也动辄十几道 ，几十道工艺过程，对零件进行物理的、化学的、生物级别的清洗与干燥。
2、涂胶设备
封装阶段的胶水，作用一是把IC的不同部分粘结起来，作用二是把IC各个部分之间的间隙填充起来，作用三是把IC包裹保护起来。这也就基本形成了三个类别，一是点胶，二是填充，三是塑封（Moding）。这些工艺过程，听起来比较简单，很容易理解。事实也确实如此。只是对胶量的控制，均匀性有很高的要求。胶水的压力，出胶口的形状，温度，运动的平稳性，设备的振动，空气流动等，每一个环节都要精确控制。涂胶的工艺的特性主要的还是决定于胶水的特性。在这里我们只谈设备，不谈耗材。
芯片点胶
芯部底填
芯片塑封
3、刻蚀\光刻机
我们常听说的那些高大尚的光刻机，是指晶圆级别上用来刻蚀芯片电路的。封装过程也要用到光刻机，需要制作用于定位和精确定位芯片的封装模板。光刻机可以用于制作这些封装模板的微米级图案。光刻机通过曝光光刻胶和进行显影的过程，将图案精确地转移到封装模板上。封装过程所用光刻机线宽要求比较低，一般500nm的都能用了。
封装用光刻机
封装用蚀刻机
4、芯片键合机
芯片键合机，是把芯片与基板连接在一起的设备，有两种主要的方式，Wire Bond和Die Bond。Wire Bond设备通常被称作绑线机，绑线机是用金属引线把IC上的引脚与基板（Substrate）的引脚进行连接的设备。这个工艺中使用的金属细线通常只有几十微米，一根一根把金属丝熔融在引脚上。这个过程在引脚多的芯片上就很耗时。Die Bond设备有时被称作贴片机或固晶机机。Die Bond是近些年才发展起来的技术，是通过金属球阵列来进行连接，就是常说的BGA技术（Ball Grid Array）。Die Bond的连接方式效率更高，一次性可以连接所有引脚，所以生产数百数千引脚的芯片也很方便。还有就是Die Bond封装更加紧凑，所以Die Bond是未来芯片键合的主要方式。
Wire bond 设备
5、贴片机
贴片机是一种高度复杂且精密的机器，其工作原理可以追溯到微电子组件制造的核心。这些机器使用先进的视觉系统，如光学传感器和高分辨率摄像头，以检测和定位微小的电子元件。这种视觉系统能够在纳米级别准确度下进行操作，确保元件的精确定位。
贴片通常是指表面贴装技术，是一种将无引脚或短引线表面组装元器件（简称SMC/SMD，中文称片状元器件）安装在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其它基板的表面上，通过再流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。
除此之外，贴片还指应用于裸芯片（Die）的贴装技术，是指将晶圆片上没有封装或保护层的晶片（裸芯片）贴装到基板上的过程。这些芯片通常由硅等材料制成，并通过刻蚀、沉积、光刻等工艺加工而成。
裸芯片贴装是一种高精度、高技术含量的制造过程，在贴片过程中，由于裸芯片缺乏封装保护，对裸芯片的测试和组装要求更高，需要专门的贴片机设备和技术来确保其可靠性和稳定性。裸芯片贴装技术常用于高性能计算、光通信、存储和其他应用领域，其中需要更高的处理能力和集成度。
上海市智能制造产业协会
上海市集成电路行业协会
华东理工大学