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定义
先进半导体封装是一系列将多个半导体芯片整合到单个电子封装中的制造工艺。这种方法既能提升性能，又能降低功耗和成本。
传统封装就像在一块土地上建造一栋单层建筑。而先进封装则允许你在更小的土地上建造多栋建筑，并通过桥梁、竖井和隧道将它们连接起来。能够有效利用这些技术的公司，将在快速增长的半导体市场中获得竞争优势。
先进封装中应用最广泛的技术包括2.5D、3D-IC、异构集成、扇出式晶圆级封装以及系统级封装。 每种技术都是将晶圆上的单个芯片与其他芯片组合在一起，形成一个由塑料、金属或玻璃包覆、内部电气连接的整体——即封装。封装制成后，会连接到印刷电路板（PCB）或柔性带上，并安装到电子设备中。
先进半导体封装的优势
随着半导体技术逐渐受到物理定律的制约，在更小的空间内容纳更多晶体管的能力正在放缓。 几十年来，微电子行业一直以英特尔联合创始人戈登·摩尔的预测——即芯片中的晶体管密度每两年翻一番（即“摩尔定律”）——作为指导其投资和规划的依据，以跟上这一发展步伐。这促使每一代芯片的特征尺寸越来越小、密度越来越高，使得器件中的电气连接成为性能瓶颈。
先进封装是设计人员克服这一限制的有力手段。通过将多个芯片进行三维排列，并在芯片之间以及过渡性集成电路中建立直接连接，设计人员可以消除瓶颈并降低成本。另一个好处是将不同功能的芯片放置在附近，从而降低功耗、提高速度，并将多功能器件简化为单个封装。
这种单封装形式还将集成过程从涉及多个组件的后处理步骤转移到了半导体制造现场的前端步骤（也称为fab ），从而降低了制造、运输和库存成本。这种方法还显著降低了封装的人工成本，无需在劳动力成本较低的地区单独设立封装工厂。
采用先进半导体封装技术制造的模块在各类设备中的应用
随着人们对计算能力和存储空间的需求日益增长，以存储所产生的所有数据，市场对更高效、更经济的微电子器件的需求也随之增加。功能更强大、性能更卓越的消费电子产品，也催生了这样一种市场需求：在更小的封装中实现更强大的功能，同时降低功耗。越来越多的设备正变得越来越“智能”，它们集成了用于测量（传感器）、数据采集、计算（处理器）、数据存储（内存）或数据输出的组件。 先进封装技术有助于将每种功能的多个实例整合到单个模块中。
汽车行业是该领域发展最迅速的领域之一。旨在提升性能、效率和安全性的先进系统——加上数量日益增多的传感器——正推动市场对采用先进封装技术制造的、更坚固、更高效且更经济的电子模块的需求。
物联网（IoT ）设备是产品设计师希望将多种电子功能整合到单个部件中，从而丰富其电子设计的一个典型例子。利用先进封装技术打造的解决方案，既简化了装配自动化流程，又降低了PCB的复杂度，同时还能提升性能，并降低成本和功耗。
先进封装技术正在助力满足人工智能（AI）和高性能计算（高性能计算(HPC) ）对计算能力的严苛需求。这种方案能在更小、功耗更低的配置下提供更强的性能。NVIDIA等AI和HPC硬件供应商已建立了先进的封装供应链。它们借助英特尔（Intel）和美光科技（TSMC）的先进封装技术，生产出所需的多功能模块，从而在提升性能的同时，将功耗和成本控制在合理范围内。
先进的半导体封装使用多种技术更高效地将IC芯片组合在封装中。
先进封装组件和技术
了解先进封装的一个好办法，是查看其组件以及半导体代工厂使用的各种先进封装技术。
组件
- Chiplet: 针对特定功能进行优化的、未封装的离散芯片 ，在封装层面上与其他微芯片和多功能集成电路芯片相结合。
- 芯片：从较大晶圆上切割下来的半导体材料块，其中包含设计用于执行一项或多项功能的电路。当芯片与基底 或其他芯片连接时，便组成了一个集成电路。
- I/O 触点或凸点： 芯片表面用于将信号传入或传出芯片的导电 区域。
- 互连：一种 将两个或多个电路元件连接起来，以便在它们之间传输电流的结构。它通常是一种连接一个或多个芯片的薄型结构。
- 中介层: 位于一个或多个芯片与基底 之间的材料层 。在先进封装中，该材料可以是硅基或玻璃基的。
- 印刷电路板（PCB）：一种 扁平结构，可为刚性或柔性，具有多层电路，用于在电子系统中实现元器件之间的电气连接。刚性印刷电路板通常由FR4材料制成，柔性印刷电路板则通常由聚酰胺材料制成。
- 再分配层（再分布引线层 ）：位于一个或多个芯片下方的一层额外的金属化层，其中包含内部导电路径，可形成更优化的I/O焊盘。
- 焊球：用于连接半导体封装中元器件的小球状焊料。其尺寸因所连接的元器件而异。
- 基底: 一种 扁平元件 ，内部包含电路，用于在封装中将其他元件进行物理和电气连接。集成电路（IC）基底 由一层半导体材料和由 FR4 或聚酰胺制成的层压板基底 组成。
- 片上系统（SoC）：一种将所有计算机或电子系统功能集成于单一芯片上的集成电路（IC）芯片。
- 硅通孔（硅通孔 ）： 硅晶圆或芯片顶部与底部之间的电气连接。这使得薄的半导体材料成为元件之间的互连结构。
- 引线键合：指连接芯片与基底 之间，或连接多个芯片之间的引线。这种连接封装内元件的相对低成本方法，在传统封装中占据主导地位。
技术
- 2.5-D：与 将多个芯片直接 封装到集成电路（IC）上基底不同， 2.5-D技术在芯片与基底 之间使用中介层 。该中介层 利用TSV将信号传输通过中介层 。
- 3D-IC：一种 将多个芯片堆叠在一起的方法。通过垂直过孔（TSV）将这些芯片连接起来。
- 扇出式晶圆级封装： 再分布引线层 从芯片上的高密度I/O焊盘过渡到基底 上的更大规模的球栅阵列。
- 系统级封装（SiP）：利用2 .5D或3D集成电路（IC）技术制造完整的计算机或电子设备封装。与将系统级芯片（SoC）解决方案所需的所有集成电路（IC）单独封装不同，SiP通过将多个芯片整合到单个封装中，以实现相同的功能。
2.5-D堆栈使用带TSV的硅中介将多个芯片连接到封装，3D堆栈使用裸片中的TSV垂直堆叠裸片。
先进半导体封装面临的挑战
无论是打包行李箱，还是开发最新的GPU 模块，封装的本质都是尽可能高效地将所需的一切安置在有限的空间内。对于高端半导体应用，在确保达到成本目标的同时，还必须应对电源完整性 、信号完整性 、热管理完整性 以及机械应力等问题。
互连
封装中的每颗芯片都需要相互连接，并连接到将模块与电子设备其余部分相连的I/O焊盘上。必须在封装中设计出导电路径，例如互连结构、硅通孔 或导线。由于这些路径会传输信号，因此必须对每条路径进行检查，以确保其信号不会干扰邻近路径，且不会产生过多的热量。
功耗
能效是市场上的关键差异化因素。客户希望以更低的功耗实现更多功能，因此封装设计师必须开发能够最大限度降低功耗和损耗的配置，并充分利用相关技术。
热
封装中的每个元器件在通电时都会产生热量。因此，该封装需要采用能够通过优化结构和材料配置来最大限度地减少热量积聚、将热量从元器件中导出，并考虑其对所用器件影响的热管理解决方案。
鲁棒性
当封装受热或冷却时，材料会发生热胀冷缩。设计人员必须采用多种材料和互连技术，以确保各材料的热膨胀系数差异以及反复的膨胀和收缩不会导致任何互连线路或芯片出现故障 。此外，还必须了解焊球疲劳现象，且封装设计必须能够承受汽车、IoT 以及航空航天等应用中恶劣环境带来的磨损。
成本
在竞争激烈的半导体行业中，成本是主要驱动因素之一。作为后端工艺环节，传统的芯片封装往往劳动密集型，且涉及运输成本。先进的封装工艺必须利用自动化技术，并将封装环节纳入前端工艺流程，包括集成测试。设计人员通常会利用优化工具，在综合考虑成本的基础上明智地选择方案。
先进半导体封装的未来
在整个半导体供应链中，各家公司都在制定发展路线图，内容涵盖更先进的封装技术、更高的性能以及更低的成本。Yole Intelligence 最近的一项研究发现，2022年，先进封装在总规模达920亿美元的行业中占比为48%。该报告预测，到2028年，这一比例将增长至58%，而行业总规模将达到1360亿美元。
新一代封装制造必须利用新材料、更高的自动化程度和创新技术，以满足人们对节能且低成本的封装、更紧凑的芯片设计和片内系统应用日益增长的需求。
各国及各企业之间在封装生态系统领域的竞争将异常激烈。2023年《芯片法案》（CHIPS Act）为“国家先进封装制造计划”拨款30亿美元。行业领军企业英特尔（Intel）、美光科技（TSMC ）和安靠（Amkor）分别于2023年宣布投资35亿美元、29亿美元和20亿美元，用于建设新的先进封装设施。
除了制造工厂中的技术之外，工程师们还将寻求更好的软件工具，这些工具需支持特定的封装技术，并能集成到设计工作流中。例如，Ansys 、微软和TSMC 最近合作开发了一套基于云的应力仿真工具集，用于2.5D/3D-IC封装。
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