随着半导体产业的竞争趋于白热化，人们对于芯片设计的关注逐渐向封装工艺转移，并且越来越多的人认为芯片封装的改良能实现芯片更薄更小、性能更高和功耗更低的景愿，同时也更好
随着半导体产业的竞争趋于白热化，人们对于芯片设计的关注逐渐向封装工艺转移，并且越来越多的人认为芯片封装的改良能实现芯片更薄更小、性能更高和功耗更低的景愿，同时也更好的迎合了半导体小型化和市场需求。
Wire bond、TSV（硅通孔）、Fan-out WLP（晶圆级扇出）封装技术示意图
封装技术
芯片本身是很脆弱的，所以封装就是将一颗颗芯片封闭包裹起来，保护其内部不受任何损伤，并且还要让内部芯片和外部的锡球、金手指相连；以前通常认为这个工艺是半导体内部最简单的一环，但是随着芯片的纳米制程越来越小和芯片越来越薄，封装工艺相对落后，其方式方法造成的物理限制问题尤为突出，所以目前封装工艺比之前吸引了更多的目光和关注。
NAND存储巨头包括三星、西数、美光和海力士等集团公司，其中海力士认为封装是和客户密切相关的一环，会直接决定成品交付，所以性能和质量都十分重要。
重新定义和思考封装技术
这十年来随着存储器产品对高性能和高容量的不断发展，重布线层（RDL）倒装芯片(flip-chip）/硅通孔(TSV)等技术发展迅猛，有很多已经成熟运用到了封装内部。这些技术打破了传统的芯片级封装方法，在单个硅晶片或堆叠芯片的晶圆上进行加工，极大地提高了产品性能和容量。举例来说，SK hynix 正在以行业领先的 TSV 堆叠技术引领市场，如高带宽内存(HBM) ；还有用于服务器的高密度内存(HDM)的三维堆叠（3DS）等技术。
封装技术演变进程
在2016年，SK hynix首次采用“Mass-reflow”技术，通过将四层50um厚的芯片垂直堆叠，利用硅通孔将其连接起来，成功开发出了一种用于3DS内存颗粒；后来将这项技术又用于8层的HBM封装中，通过多个Dummy TSV（用于散热的连接通孔）并且在芯片间填充了特殊的高导热材料，使得芯片具有优良的散热性能。
FOWLP 技术及其DIE-First和RDL-first技术路线
注：
重布线层（RDL）：重新布线技术，RDL在已经制成的晶圆上再重新布线，通过一个额外的金属布线层到达接口pad重新分配。
倒装芯片（Flip-Chip）：利用芯片上的微型凸点焊球，通过加热融化冷却焊接来实现芯片和芯片或者基板间的键合方法。
硅通孔（TSV）：在芯片内部形成多个贯穿的微型通孔，通过垂直堆叠能实现两颗芯片导通，这种方面面积小，封装薄，I/O口数量多，高带宽和低功耗。
大规模底部填充回流成型：多个芯片堆叠再利用特殊材料进行内部填充，利用回流将芯片连接起来，是TSV和倒装芯片的一个演进版本。
采用硅通孔技术的内存产品
容量需求提升带动芯片技术发展
在HBM芯片封装中采用的TSV技术一般是4层到8层之间，通过硅通孔和微型凸点连接也基本是界内共识，而随着存储类器件对于容量的需求不断提高，未来12层乃至16层的TSV技术都要实现量产。所以为了达到这个目的，不仅要减小芯片厚度和凸点尺寸，还要运用到混合结合技术，去除芯片间的填充物，直接在铜电极上相连。
与使用微凸点技术相比，混合键合可以显著减小连接尺寸，增加单位面积的I/O口数量，大大降低功耗；同时减小间隔和填充物不仅增加了容量还改善了散热性能，有效的解决了功耗和性能增加带来的散热不良问题。
使用微凸点和混合键合的垂直层压示意图
注：
混合键合：一种键合铜电极和无机绝缘层等金属电极的方法，作为一种将至少两个不同芯片集成到一个封装中的方法，混合键合能降低互连间距，可以广泛应用于各类封装SoC和存储器件中。
平衡容量与散热
除了封装中TSV技术的革新，目前业界还需要一种提升系统容量和高速I/O的存储芯片异构集成解决方案，在提升单个封装内存容量的同时，还要兼顾散热和高温性能的问题。所以另一种封装技术----晶圆级扇出封装（WLP）应运而生，利用在晶圆表面金属层重新布线，将晶圆的I/O口连接到外部的方式现在也已经广泛应用于APs和电源管理芯片中。这种技术可以通过使用重分配层代替基底来减小封装的厚度，并且研究表明，这种技术能够显著提升散热能力，所以在存储类产品中也有类似的研究。
晶圆级扇出封装流程示意图
此外为了解决存储器件的功耗和容量问题，异构集成也是一个方向，目前在WLP Fan-out技术加持下，内存产品有了性能和容量的高速提升，并且其他类型的封装在结合TSV和RDL等多种技术能够产生出更多更好更快的芯片颗粒。当然由于存储类芯片要有足够的容量，所以芯片垂直堆叠再扇出的WLP结构是难点也是关键，不仅要保证制程过程中电气连接的参数指标，还要兼顾产能和良率，这些都比一层芯片的封装要困难的多。
使用了TSV和WLP Fan-out技术的三维堆叠封装现在十分火热，预计年增长率在20%和15%左右，先进的技术能够解决目前产品的各种局限，而且随着新技术的开发，TSV和WLP也都在进行自我演化，而且存储类产品的性能很大程度上也依赖于封装技术的先进程度，所以先进封装技术的蓝海还很广阔，还需要更多的有识之士的加入。
责编：我的果果超可爱
编译自：Advanced Packaging Technologies Overcoming the Memory System Performance and Capacity Limitation
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