半導體封裝是什麼？保護晶片、對外連接的原理

生活中的例子

看看電腦或遊戲機的電路板，會看到好幾個黑色方形的零件。多數情況下，看到的不是晶片本身，而是包住晶片的樹脂外層。包含這層外殼在內的整個零件，就稱為封裝。晶片、晶粒、封裝這些詞的整理，請見「積體電路（IC）是什麼？」。

新聞裡也越來越常出現封裝的話題。資料中心用的AI GPU，多半把運算晶片和記憶體並排放進同一個封裝。台積電在2024年7月表示，這種組裝的產能已比前一年增加到2倍以上。即使如此，仍然趕不上需求。封裝這道工序，已經不再是配角。

封裝的4個任務

晶片是從晶圓切下來的一小片薄矽。直接裸露的話，無法裝到機器的電路板上使用。封裝主要有4個任務。

• 保護：晶片又薄又容易碎，表面的線路也會因濕氣或髒污而受損。用樹脂等材料包住，保護它不受衝擊和濕氣影響。
• 電性連接：把晶片的電極（電流進出的地方）和電路板的線路連起來，讓訊號和電源通過。通道一長，越快的訊號波形越容易變形，電源電壓也越容易晃動。
• 散熱：運作中的晶片，會把用掉的電力幾乎全部變成熱。這些熱要經過封裝，散到電路板或散熱器。
• 拉開間距：晶片的電極排得非常密。封裝要把它們拉開到能焊在機器電路板上的間距。

舉第4項的例子。在底部排滿錫球的封裝中，端子的間距大約是0.4～1.27 mm（本站的比較表）。晶片電極的排列比這細密得多，所以要靠封裝內部的線路拉開間距再連接。

後段製程的流程：從晶圓到零件

包進封裝的作業，是在稱為後段製程的階段進行。這裡以用細線連接的典型封裝為例，依序來看。和前段製程的差異，整理在「半導體前段製程與後段製程的差異」的表格中。

1. 晶圓測試：在晶圓狀態下，用細針接觸每顆晶片的電極，檢查能否正常運作。不良晶片的位置會記錄下來，這些晶片就不封裝。這是為了不讓費工的封裝作業白費。
2. 磨薄背面：從背面研磨晶圓，讓它變薄。300 mm晶圓的厚度約0.775 mm，要磨到它的幾分之一，薄的甚至磨到0.05 mm以下。這項作業稱為背面研磨。
3. 切開：用旋轉的薄刀片或雷射，把排成棋盤格狀的晶片切成一顆顆。這項作業稱為晶圓切割。切下來的矽小片，也稱為晶粒（die）。非常薄的晶片，也有先切出一半深的切口、再研磨背面使其分開的順序。
4. 固定到底座：用黏著劑或焊料，把晶粒貼在底座上。底座是薄金屬框架，或內含線路的小板子。這項作業稱為黏晶，也叫晶粒接合。
5. 連接電極：用細金屬線或小金屬粒，把晶粒的電極和底座的端子連起來。這兩種方法，下一節再詳細介紹。
6. 用樹脂包覆：把熔化的樹脂注入模具，將晶粒和線整個固定起來。這項作業稱為封膠，也叫模封。
7. 標記：用雷射等方式，在外殼表面刻上公司標誌、型號，以及代表製造時期的編號。日後出現問題時，可以追查是什麼時候製造的。
8. 最終測試：讓完成的零件在規定的溫度和電壓下運作並檢查。這稱為最終測試，只有合格品才會出貨。兩種測試的差異，可以在「晶圓測試與最終測試的差異」中比較。

連接方式：打線接合與覆晶

第1種方法，是讓晶片朝上放置，用細金屬線把排在邊緣的電極和底座的端子一條條連起來。這稱為打線接合。線的粗細大約是15～50 µm（依線材廠商的產品介紹）。µm（微米）是千分之一mm，只有頭髮（約0.09 mm）的幾分之一細。

線的材料，長期以來使用不易生鏽、容易加工的金。不過金價上漲之後，2010年代改用便宜銅線的轉換持續推進。打線接合成本低，配置也有彈性。至今仍用在微控制器、記憶體、類比晶片等許多產品上。

第2種方法，要先在晶片的電極上，做出焊料或銅製成的小金屬粒。這種金屬粒稱為凸塊。凸塊不像打線只能排在邊緣，可以排滿晶片的整個表面。

接著把晶片翻過來，讓凸塊直接接到基板的電極上。因為要翻面（flip），所以稱為覆晶。它源自IBM在1960年代實用化的方法。電極數可以大幅增加，通道也短，所以容易傳送高速訊號。

晶片和基板之間的縫隙，要灌入樹脂使其固化。這種樹脂稱為底部填充膠。溫度變化時，晶片和基板伸縮的比例不同。因此施加在凸塊上的力，由樹脂分擔、加以緩和。

覆晶適合CPU、GPU這類電極多達數千個的高速晶片。相對地，需要製作凸塊的工序和線路細密的基板，費用也比較高。差異一覽可以在「打線接合與覆晶的差異」中查看。

封裝的外形：從接腳到錫球

封裝有許多種外形，可以從和外部電路板連接的端子形狀來分辨。以下從歷史較久的開始，依序看看代表性的外形。

• DIP：從本體兩側，像梳齒一樣有接腳向下伸出。把接腳插進電路板的孔裡焊接。1971年Intel的4004，也是16支接腳的DIP。
• QFP：從本體四邊伸出向外彎折的接腳，放在電路板表面上焊接。因為看得到接腳，容易檢查，也容易手工維修（四方扁平封裝）。
• QFN：接腳不伸出外面，而是在本體底部的邊緣排列平坦的電極。小又薄，多數在底部中央有金屬面，可以從那裡散熱（四方扁平無引腳封裝）。
• BGA：在本體底部整面，像棋盤格一樣排滿小錫球。因為用到整個面，端子可以多達數百到數千個。廣泛用於CPU、GPU與記憶體（球柵陣列）。
• WLCSP：在切開之前的晶圓上，就把線路和錫球都做好。封裝和晶片幾乎一樣大，常用在手機裡的小晶片（晶圓級封裝的一種）。

DIP、QFP、QFN這類有接腳或電極的外形，會把晶片放在薄金屬框架上。這個框架稱為導線架，框架的一部分直接成為端子。這幾種外形的比較，整理在「BGA、QFP、QFN 的差異」中。

晶圓級的外形中，也有把線路拉到晶片外側的「扇出型」。端子可以排在比晶片更大的面積上，也能做得很薄。根據調查公司Yole，2016年iPhone 7的處理器（A10），就是用台積電的這種方式封裝。差異可以在「扇入型與扇出型晶圓級封裝的差異」中比較。

封裝基板：外殼裡的小線路板

BGA多半把晶片放在小線路板上，這稱為封裝基板。它是把樹脂薄層和銅線路層一層層疊起來的板子，把晶片側細密的電極，連到底部的錫球。也就是負責第4個任務「拉開間距」的零件。

高性能晶片用的基板，會疊上許多層比機器電路板細得多的線路。線路層之間，夾著不導電的樹脂膜。這種膜廣泛使用的是味之素開發的ABF，用這種膜的基板，業界也常稱為「ABF載板」。

散熱：封裝是熱的通道

晶片太熱，運作會變得不穩定，壽命也會縮短。晶片的熱，會經過封裝散到電路板或散熱器。熱不容易傳遞的程度稱為熱阻，會隨封裝的外形和材料而大幅改變。

例如QFN，是把底部的金屬面焊在電路板上，讓熱直接散到電路板。耗電大的CPU，則在覆晶翻面後的晶片背面緊貼金屬蓋，先把熱擴散開，再傳給散熱器。要從耗電與熱阻估算晶片溫度，可以使用「接面溫度計算器」。

材料：樹脂和基板也左右性能

包覆用的樹脂，是在受熱會硬化的環氧樹脂中，混入大量細粉（二氧化矽）。這種粉和玻璃的成分相同，占了重量的很大比例。粉越多，隨溫度的伸縮就越接近矽，也越不容易吸濕。

研磨晶圓、切割晶圓的設備廠商，在「半導體設備是什麼？」中介紹。

確認能長期不壞

裝進封裝的晶片，有時會在車上或戶外使用10年以上。因此要用把嚴苛條件濃縮在短時間內的試驗，確認它不容易損壞。這類試驗稱為可靠度試驗。

其中一種，是讓低溫和高溫反覆數百次的試驗。晶片、樹脂、基板受熱時的膨脹程度不同。反覆之下，要看焊點會不會出現裂痕、樹脂會不會剝離。例如在−55 °C和125 °C之間來回的這種試驗，稱為溫度循環試驗。

另一種是濕氣。包覆的樹脂，會一點一點吸收水分。產業團體JEDEC的標準中，有一項試驗是在85 °C、濕度85%的環境下持續加電壓，放置約1000小時。用來確認內部金屬會不會腐蝕、會不會漏電。

水分在焊到機器電路板時也會造成問題。零件會放進爐中一起加熱，讓焊料熔化。這時溫度會升到250 °C左右，吸收的水分一下子變成水蒸氣，可能從內側把外殼撐破。因為像爆開一樣，也稱為爆米花效應。對濕氣的耐受度，用濕度敏感等級（MSL）來分級。不耐濕的零件，會和乾燥劑一起密封在袋中出貨。

把高溫試驗的結果換算成平常溫度下壽命的想法，在「阿瑞尼斯方程式是什麼？」中說明。試驗種類的差異，可以在「HTOL、THB、HAST、溫度循環與高溫儲存試驗的差異」中比較。

先進封裝：走向小晶片與HBM

最近，把多顆晶片放進同一個封裝、讓它們像一個零件一樣運作的技術越來越普及。這些技術統稱為先進封裝。代表例子是小晶片和HBM。小晶片是把大電路拆成小晶片並排，HBM則是把記憶體堆疊起來放在GPU旁邊。詳細內容請見「小晶片（Chiplet）是什麼？」「HBM是什麼？」。並排與堆疊的差異，在「2.5D與3D封裝的差異」中說明。

常見的誤解

從數字來看

端子數在大約50年間，從16支增加到超過一千個。這段期間，端子的形狀也從接腳變成底部的平坦電極，再變成錫球。晶片性能越高，連接它與外部的封裝，就越需要更多端子和更細的線路。

進一步學習

• 用表格看差異：「球形接合與楔形接合的差異」（線的接合方式）、「預燒測試種類的差異」（用高溫運作來剔除早期不良的試驗）
• 下一步的用語：晶片尺寸封裝（CSP）、重佈線層、回焊焊接、玻璃核心基板、面板級封裝
• 用圖來看：打線接合與覆晶的剖面等，都收錄在圖解集中
• 職業方面：封裝的設計與組裝工作，請見「封裝工程師」。承接後段製程的公司（封裝測試代工廠（OSAT））與分工的方式，請見「晶圓代工是什麼？」