半导体集成电路先进封装技术专利战略研究

半导体集成电路先进封装技术专利战略研究

吴敏

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摘要：经过60多年的发展，集成电路产业随着电子产品小型化、智能化、多功能化的发展趋势，技术水平、产品结构、产业规模等都取得举世瞩目的成就。

关键词：半导体集成电路；先进封装技术；专利战略研究

引言

随着经济的发展，我国的半导体行业建设的发展也有了一定的创新，现代化建设的发展也越来越完善。近年来，集成电路封装测试行业技术进步较快，行业发展也十分迅速，一些内资和本土品牌企业的质量、技术和产能已经接近国际先进水平。未来国内集成电路封测市场增长前景广阔，但也需要应对各种挑战。国内封测企业必须进一步增强技术创新能力、加大成本管控，才能在日新月异的市场竞争中取得更大进步。

1集成电路封装测试企业现状

从经营模式来看，集成电路封装业企业可分两类，一类是国际IDM公司设立的全资或控股的封装厂,另一类是独立从事封装的企业。前一类型封装厂只是作为IDM集团的一个生产环节,并不独立对外经营,其产品全部返销回母公司,实行内部结算。而独立的IC封装企业则,接受IC芯片设计或制造企业的订单,按封装数量收取加工费，或采用来料加工经营模式，与下游终端厂商或上游设计IC公司没有股权关系。外资封测企业，如英特尔、威讯联合、飞索、英飞凌、瑞萨和恩智浦等，主要从事中高端集成电路的封测。这些企业主要承担母公司的封测业务，是母公司IDM产业链中的一个环节，产品销售、技术研发都很依赖于母公司。台资企业，如日月光、星科金朋和矽品科技等，这些企业的母公司都是世界著名的封测厂商，并在在我国大陆设立分/子公司从事封测业务，也主要定位于中高端产品。近几年来，一些内资企业的生产能力和技术水平提升很快（部分原因和我国政府对集成电路的高度支持有关），例如长电科技、通富微电、华天科技等。与外资和台资企业相比，这些企业在设备先进性、核心技术（如铜制程技术、晶圆级封装，3D堆叠封装等）、产品质量控制等方面已经取得可以相抗衡的核心竞争力。产业信息网发布的《2013~2017年中国集成电路封装产业深度调研及投资战略研究报告》称：目前全球封装测试产业主要集中在亚太地区（主要包括台湾、韩国、中国大陆），其中台湾地区封装测试业产值居全球第一。中国大陆的封测业起步较晚，但发展速度最快。例如长电科技2012年以7.14亿美元的营业额，位居全球封装测试企业营收第七位，是中国大陆唯一进入世界前十位的半导体封测企业。

2半导体封装技术及其作用

传统模式下，人们对半导体封装技术的理解较为局限，更多地将其局限于半导体连接以及一个批次间的组装，其整体涉及范围较窄，且将半导体封装技术以普通的生产技术对待，并未充分发掘半导体封装技术的重要价值。随着近年来电子信息产业的进一步发展，半导体封装技术逐步与电子产业工程相连接，在电子信息技术的支持下得到了更长足的发展和进步。纵观我国现阶段半导体封装技术以及世界半导体封装技术发展过程可知，目前半导体封装技术的发展已然可归纳为五大发展阶段，目前绝大部分国家正朝着第四阶段和第五阶段迈进。具体而言，半导体封装技术的第一阶段为20世纪70年代以前，该时间期限内的半导体封装技术主要采用通孔插装型封装技术，封装方式主要包括金属圆形封装或塑料双列直插封装等诸多形式。第二阶段即为20世纪70年代到20世纪80年代后期，该时间段内的半导体封装技术主要采用表面贴装型封装方式，典型的封装外观有塑料引线片封装或无线四边扁平封装等。第三阶段为20世纪80年代到20世纪90年代，主要包括焊球阵列封装或芯片尺寸封装技术等，通常可借助陶瓷焊球阵列封装或倒装芯片焊球阵列封装等方式实现。第四阶段为20世纪末期，该时间段内半导体封装技术主要采用多芯片组件封装或系统封装方式，甚至部分先进国家进一步采用了三维立体封装技术，典型的封装结构主要包括多层陶瓷基板封装模式或多层薄膜基板封装模式。第五阶段为21世纪初期，该时间段内的半导体封装结构封装技术主要为系统级的单芯片封装模式或微电子机械结构的封装模式。整体而言，全世界范围内的半导体封装技术主流发展仍处于第三阶段的成熟期和技术快速进步发展期，焊球阵列封装和芯片尺寸封装技术基本是现阶段半导体封装技术大规模生产和使用的关键技术类型。

3半导体集成电路先进封装技术专利战略研究

3.1高密度封装

某种封装形式的封装效率可以用芯片和封装外形的体积比来表示。通常来说，双列直插（DIP）等封装形式的封装效率仅有2-7%。八十年代中期出现的主要以表面贴装工艺（SMT）为主的四面引脚的封装形式，如塑料扁平封装（PQFP）、薄型扁平封装（TQFP）等，其封装效率有10-30%。进入九十年代，为了适应芯片I/O数的增长和器件小型化的要求,出现了球栅阵列（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）等新型封装形式,其封装效率可达20-80%。近年来，采用倒装焊技术或导电胶方法将裸芯片直接贴装到印刷电路板上的DCA技术，可使封装效率达到50-90%。

3.2高可靠性

随着半导体技术在工业生产自动化、计算机技术、通讯技术中的广泛应用，对于电子器件的可靠性要求也越来越高。在早期的各种封装形式中，陶瓷等气密性封装可靠性最高。而早期的塑料封装由于水汽扩散问题未能解决，可靠性难以同气密性封装相比。随着材料和工艺的不断改进，目前，塑料封装的可靠性在某些方面己接近或达到了陶瓷等气密性封装的水平。同时，由于塑料封装成本低和适合大规模自动化生产，所以当前国际上整个集成电路生产中97%的芯片采用塑料封装形式。除广泛地应用于家电、计算机等领域，塑料封装已开始应用于汽车电子、航空等高可靠性要求的领域。而且，塑料封装也正逐步应用于对可靠性要求非常严格的军用领域。

3.3散热冷却功能

进一步探究半导体芯片性能可知，大规模集成电路中的特性线宽要求在日益发达的现代信息社会即将进入亚0.1nm时代，因此，为确保先进芯片的性能能够满足智能化社会发展目标，对半导体芯片的性能预测进行探究，在未来的半导体发展过程中，几乎所有电子设备使用大规模集成电路的功耗都将进一步增加，而大规模集成电路的功能大约在2~3w以上，此时需在半导体封装技术应用过程中增加散热片或增加热沉，以此增加半导体散热冷却功能。在5~10W以上时，则必须采取强制冷却手段，保证半导体散热冷却功能的正常发挥。当半导体功能损耗值在50~100W以上时，则应该采取空冷技术。总之，上述所有散热冷却技术在未来一段时间内都将是半导体封装技术的重要发展方向。

3.4芯片安装失效优化措施

芯片一般是通过焊接或粘接方式与管壳固定在一起的。芯片焊接采用的是合金焊料，最常用的是锡铅焊料。芯片粘接最常用的材料是银浆，也有采用有机环氧材料粘接的。除以上两种方式外，还有用低温熔融玻璃料粘接芯片的。芯片安装除了起到机械固定芯片的作用外，还有散热和电连接的作用。芯片安装失效情况包括，因芯片安装应力导致芯片碎裂，或者因芯片散热不均匀引起的热应力造成芯片开裂，还有可能造成芯片因散热不良出现热保护。

结语

在电子信息化产业进一步完善和市场发展过程中，半导体生产企业应尽可能地提升其封装工艺，通过半导体内部封装连接方式相互关系的总结与梳理以及半导体前端制造工艺对整个封装技术应用的影响关系梳理，充分感知半导体封装技术的现阶段应用现状及未来创新方向，为半导体封装技术应用水平的快速提升打下扎实基础。

参考文献

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