半导体封装，半导体封装是什么意思

半导体封装简介:半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装过程为：来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后，被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金、锡、铜、铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead）,并构成所要求的电路；然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护，塑封之后，还要进行一系列 *** 作，如后固化（Post Mold Cure）、切筋和成型（Trim&Form）、电镀（Plating）以及打印等工艺。封装完成后进行成品测试，通常经过入检（Incoming）、测试（Test）和包装（Packing）等工序，最后入库出货。典型的封装工艺流程为：划片 装片 键合 塑封 去飞边 电镀 打印 切筋和成型 外观检查 成品测试 包装出货。1 半导体器件封装概述电子产品是由半导体器件(集成电路和分立器件)、印刷线路板、导线、整机框架、外壳及显示等部分组成，其中集成电路是用来处理和控制信号，分立器件通常是信号放大，印刷线路板和导线是用来连接信号，整机框架外壳是起支撑和保护作用，显示部分是作为与人沟通的接口。所以说半导体器件是电子产品的主要和重要组成部分，在电子工业有“工业之米"的美称。我国在上世纪60年代自行研制和生产了第一台计算机，其占用面积大约为100 m2以上，现在的便携式计算机只有书包大小，而将来的计算机可能只与钢笔一样大小或更小。计算机体积的这种迅速缩小而其功能越来越强大就是半导体科技发展的一个很好的佐证，其功劳主要归结于：(1)半导体芯片集成度的大幅度提高和晶圆制造(Wafer fabrication)中光刻精度的提高，使得芯片的功能日益强大而尺寸反而更小；(2)半导体封装技术的提高从而大大地提高了印刷线路板上集成电路的密集度，使得电子产品的体积大幅度地降低。半导体组装技术(Assembly technology)的提高主要体现在它的封装型式(Package)不断发展。通常所指的组装(Assembly)可定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片(Chip)和框架(Leadframe)或基板(Sulbstrate)或塑料薄片(Film)或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管时代的插入式封装以及20世纪80年代的表面贴装式封装，发展到现在的模块封装，系统封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可能要用到新材料，新工艺或新设备。驱动半导体封装形式不断发展的动力是其价格和性能。电子市场的最终客户可分为3类：家庭用户、工业用户和国家用户。家庭用户最大的特点是价格便宜而性能要求不高；国家用户要求高性能而价格通常是普通用户的几十倍甚至几千倍，主要用在军事和航天等方面；工业用户通常是价格和性能都介于以上两者之间。低价格要求在原有的基础上降低成本，这样材料用得越少越好，一次性产出越大越好。高性能要求产品寿命长，能耐高低温及高湿度等恶劣环境。半导体生产厂家时时刻刻都想方设法降低成本和提高性能，当然也有其它的因素如环保要求和专利问题迫使他们改变封装型式。2 封装的作用封装(Package)对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用功能的作用。封装的主要作用有：(1)物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响；同时通过封装使芯片的热膨胀系数与框架或基板的热膨胀系数相匹配，这样就能缓解由于热等外部环境的变化而产生的应力以及由于芯片发热而产生的应力，从而可防止芯片损坏失效。基于散热的要求，封装越薄越好，当芯片功耗大于2W时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5～1OW时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。(2)电气连接。封装的尺寸调整(间距变换)功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装 *** 作。例如从以亚微米(目前已达到0．1 3μm以下)为特征尺寸的芯片，到以10μm为单位的芯片焊点，再到以100μm为单位的外部引脚，最后剑以毫米为单位的印刷电路板，都是通过封装米实现的。封装在这里起着由小到大、由难到易、由复杂到简单的变换作用，从而可使 *** 作费用及材料费用降低，而且能提高工作效率和可靠性，特别是通过实现布线长度和阻抗配比尽可能地降低连接电阻，寄生电容和电感来保证正确的信号波形和传输速度。(3)标准规格化。规格通用功能是指封装的尺寸、形状、引脚数量、间距、长度等有标准规格，既便于加工，又便于与印刷电路板相配合，相关的生产线及生产设备都具有通用性。这对于封装用户、电路板厂家、半导体厂家都很方便，而且便于标准化。相比之下，裸芯片实装及倒装目前尚不具备这方面的优势。由于组装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印刷电路板(PCB)的设计和制造，对于很多集成电路产品而言，组装技术都是非常关键的一环。3 封装的分类半导体(包括集成电路和分立器件)其芯片的封装已经历了好几代的变迁，从DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到MCP再到SIP，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。封装(Package)可谓种类繁多，而且每一种封装都有其独特的地方，即它的优点和不足之处，当然其所用的封装材料、封装设备、封装技术根据其需要而有所不同。

开发人员基于指令集架构（ISA），使用不同的处理器硬件实现方案，来设计不同性能的处理器，因此 ISA 又被视作 CPU 的灵魂。我们可以将指令集架构理解为一个抽象层，它是处理器底层硬件与运行在硬件上的软件之间桥梁和接口。

图1 指令集架构

指令集架构 分为 复杂指令集 （Complex Instruction Set Computer，CISC ）和精简指令集 （Reduced Instruction Set Computer，RISC）架构。

CISC 架构不仅包含了处理器常用的指令，还包含了许多不常用的特殊指令；在 CPU 发展早期，CISC 曾是主流，可以使用较少的指令完成 *** 作；但随着越来越多的特殊指令被添加到 CISC 架构中，常用的典型程序运算过程中用到的指令仅占指令集的20%，80%的指令则很少用到，而这些很少用到的指令让 CPU 的设计变得极其复杂，大大增加了硬件设计的时间成本和面积开销。

RISC 架构只包含处理器常用的指令，对于不常用的 *** 作，通过执行多条常用指令的方式来达到同样的效果。因而在 RISC 架构诞生后，所有现代指令集都选择使用 RISC 架构。

自 CPU 于上世纪 60 年代问世，已发展几十年，有几十种不同的指令集架构相继诞生或消亡。这里挑选 8 个主流架构，简要概括如下表：

CPU主要有三大应用领域，即服务器领域、PC领域和嵌入式领域。

1) 移动领域 ：如智能手机，市场规模有望超过 PC 领域，几乎为 ARM Cortex-A 系列垄断；

2） 实时（Real Time）嵌入式领域 ：ARM 架构占较大市场份额；

3） 泛嵌入式领域 ：强调低功耗、低成本和高能效比，芯片主要是微控制器或微处理器，市场应用极为分散，但基数庞大，尤其在进入物联网时代。ARM Cortex-M 系列是市场主流

从 CPU 的应用场景，我们可以观察到 CPU 应用场景的拓宽和激增，有三个主流时代，从 PC 时代跨越到移动时代，再延展到物联网时代，恰好映射到 CPU 三大架构，权且看做 CPU 之三生三世。

一生一世：x86 架构是服务器领域/PC 领域的权贵。 Intel 和 AMD 是 x86 处理器芯片的主要提供商，历经数代发展，从最初的 16 位发展至如今的 64 位。Intel 通过内部“微码化”克服了 CISC 架构的部分缺点，并凭借不断提升的 CPU 设计水平和工艺制造水平，使其在性能上保持遥遥领先，加之 Wintel 的成功商业联盟，不仅在 PC 领域占据统治性地位，还击败了 IBM 和 Sun 公司，拥有超 90% 的服务器市场份额。

Intel/AMD 作为芯片公司，x86 架构是其生命线，授权费用极高，还可对有威胁的竞争对手停止授权。故而，采用 x86 架构开发被戏称为“权贵的 游戏 ”。

二生二世：ARM 架构是移动王者。 ARM 公司的商业模式以开放共赢为基本原则，通过基础架构授权、内核 IP 授权等方式盈利。ARM 积极推动生态建设，以 ARM 统一制定的标准规范将上下游软硬件企业纳入其生态系统。随着近 10 多年移动应用的快速发展，尤其是智能手机的兴起，ARM 迅速成为移动世界的王者。

进击的 ARM 不仅凭借 Cortex-A 系列在手持设备领域无敌，还以 Cortex-R 系列和 Cortex-M 系列在实时嵌入式领域和泛嵌入式领域成功部署。ARM 三大细分产品：

“移动王者” Cortex-A 系列 是一组用于高性能低功耗微控制器领域的 32 位和 64 位 RISC 处理器系列，内置存储器管理单元（Memory Management Unit，MMU），可支持 *** 作系统的运行。 32位系列 包括 Cortex-A5，Cortex-A7，Cortex-A8，Cortex-A9，Cortex-A12，Cortex-A15，Cortex-A17 和 Cortex-A32。 64位系列 包括 Cortex-A35，Cortex-A53，Cortex-A57，Cortex-A72，Cortex-A73。

值得一提的是，Cortex-A8 首批芯片量产时，3G 网络问世，踩上了智能手机的潮点；之后，Cortex-A9 催生了智能手机的井喷期，成为智能手机内核标配，自此，Cortex-A 系列进入年均一款的“下饺子”开挂模式。Cortex-A 系列的先机与成功，奠定了 ARM 在移动领域的王者地位，在移动领域构筑了城宽池深的软件生态环境。目前，ARM 架构已应用到全球 85% 的移动设备中，其中超过 95% 的智能手机处理器是基于 ARM 架构。

ARM Cortex-A 系列一统移动江山后，与高通、谷歌、微软等合作伙伴逐步形成强强生态联盟，将进军传统 x86 架构 PC 与服务器市场定为下一步发展目标。

“小个子有大力量”的 Cortex-M 系列 是一组用于低功耗微控制器领域的32位 RISC 处理器系列。包括 Cortex-M0，Cortex-M0+，Cortex-M1，Cortex-M4(F)，Cortex-M7(F)，Cortex-M423，Cortex-M33(F)。Cortex-M 系列的应用场景虽不像 Cortex-A 系列光芒四射，但在物联网设备激增的万物智联时代，需求量巨大。

自2007年，诸如意法半导体、恩智浦等多家半导体公司持续推出基于 Cortex-M 内核的微控制器；国内厂商也纷纷入场，抢夺物联网市场，特别是 2020 年Q4 至今的缺货潮中，国产替代风起云涌。众多微控制器厂家中，尤以意法半导体公司的 STM32 产品系列最全、生态建设最完善。

三生三世：粉墨登场的 RISC-V。 RISC-V 架构是一种全新的指令集架构，2010年始于加州大学伯克利分校。“V”除了表示从 RISC-I 开始的第五代指令架构外，还有变化（Variation）和向量（Vector）的含义。

2015年，RISC-V 基金会成立并开始正式运作。作为非盈利性组织，RISC-V 基金会负责维护标准的 RISC-V 指令集手册和架构文档，并促进 RISC-V 架构的发展，将其 推向开源，不仅成为一种完全开放的指令集，可以被任何学术机构或商业组织自由使用；还要成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。

源起名校、兴于开源的 RISC-V 架构，相比 ARM 架构，具有灵活的扩展性，指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的实际应用场景，但并未对特定的微架构做过度设计，是第一个可根据具体场景选择适合的指令集的指令集架构。RISC-V 指令集可满足从微控制器到超级计算机等不同复杂程度的处理器设计需求，极大地拉低了 CPU 设计准入门槛，并显著降低芯片开发成本。

RISC-V 架构利于我国工业体系中“少数短板”之一 —— 芯片的发展，商业公司可基于开源架构开发其自主可控的商业 IP，如我国 RISC-V 系先行者平头哥和芯来 科技 。同时，该架构能够适应由 5G 和人工智能催生出的碎片化计算需求，有望成为物联网时代的主要抓手。

指令集架构的生态建设，需要付出昂贵的教育成本和接受成本，教育成本取决于人们的普遍熟悉程度，接受成本取决于人们愿意投入的时间。RISC-V 生态初成，海外有 RISC-V 基金会的积极推动，国内很多地区政府也将 RISC-V 指向为国产芯片架构发展的主要方向，并推出一系列鼓励措施。随着采用 RISC-V 架构的芯片越来越多，尤其是完全国产芯片的问世，产学研市场对 RISC-V 芯片应用有了越来越多的需求，中国 RISC-V 产业生态日渐成熟。

对中国半导体产业来说，回望来时路，业绩斐然。从身份z芯片到MP3时代，再到大量的山寨机和平板，以及目前的品牌手机和平板，一批批中国芯片企业陆续崛起。"国新风险投资执行董事孙加兴在近日举行的第四届互联网产品创新大会上表示，从计算到"计算+通信"、再到"计算+联接+感知"，技术要素不断变迁。目前，芯片产业处于群雄混战的局面，但其市场前景可期。

芯片是半导体元件产品的统称，也是集成电路的载体。前瞻产业研究院发布的《中国半导体产业战略规划和企业战略咨询报告》显示，截至2018年年底，全球半导体营业市场规模达到4779.4亿美元，同比增长15.9%。预测2019年全球半导体营业市场规模将达4901.14亿美元，同比增长2.6%。

目前，全球半导体行业竞争力较强的国家主要是美国、韩国等，中国半导体产业仍然存在诸多不足。"一些高精尖芯片主要依靠进口，国内还不能有效供应。"上海集成电路产业投资基金董事总经理陈刚晶说道，存储、半导体设备生产及销售规模仍然较低，尤其在关键基础性知识产权方面积累不足，导致在核心基础技术和芯片设计上容易受制于人，只占全球市场不到15%的比重。此外，我国集成电路产品仍大量依赖进口。2018年，中国进口集成电路金额约合3120.6亿美元，同比增长19.8%。出口金额为846.4亿美元，进出口额逆差仍在扩大，逆差达到2274.2亿美元，同比增长17.47%。

业内人士称，国内半导体技术落后于海外，造成我国在发展信息科技产业时产业链上下游的大量底层技术严重依赖海外。这在当前面临去全球化风潮中，不管是从商业还是从国家安全角度考虑，都急需开发自主产品，以替代海外技术和产品。对此，赛灵思人工智能业务资深总监姚颂表示，做好芯片需做到以下四点：一是能用，满足用户的基础功能需求；二是好用，功能比较完整，性能表现较好；三是爱用，让用户体验好；四是离不开，在产品之外提供额外的一些附加值。

与此同时，我国需加快人工智能芯片的研发和应用。赛迪智库电子信息研究所研究员王哲介绍说，人工智能芯片以图形处理器、现场可编辑程门阵列、特定用途集成器为发展方向。预计到2021年，全球人工智能的芯片市场规模将达52.2亿美元，年均增长符合率超过50%，超过人工智能行业整体规模。芯片作为人工智能的核心部件，在技术驱动和需求牵引下，市场增长有望实现逐年扩大。

近年来，英特尔、微软、谷歌等国外科技公司都在积极布局人工智能芯片，国内大批企业也都投入巨资研发人工智能芯片。由于国内布局得早，国外在芯片生态上并未形成垄断，催生了大量的人工智能创业企业，如地平线、深鉴科技、寒武纪、云知声、云天励飞等。同时，国内人工智能芯片已经有部分成熟的商业货架产品和应用，广泛分布在金融证券、商品推荐、安防、消费机器人、智能驾驶、智能家居等众多领域，例如，寒武纪通过和华为、曙光等公司合作，将人工智能芯片应用于华为智能手机和曙光的服务器上。

自智能手机诞生以来，供应链厂商都在将各种新技术引入其中，如指纹识别、面部识别、AI美颜、5G通信等。从产业角度而言，虽然说智能手机市场整体增长放缓，但是在4G向5G过渡阶段，以及各种新技术的继续引入，智能手机仍将成为半导体领域重要的市场。对此，英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区射频及传感器部门总监麦正奇认为，4G改变了人们的生活习惯，更多的事情开始在智能手机上完成。到5G通信时代，将会带来更多的变化。

此外，汽车市场芯片需求增长迅速。市场研究公司IC Insights预测，随着技术进步不断增加车内的电子组件用量，预计在2021年以前，汽车电子系统将持续成为六大主要半导体终端市场中成长最强劲的应用。2018年，汽车电子系统的销售额增长约7%，达到1520亿美元，2019年将再增长6.3%，达到1620亿美元。"自动驾驶、信息、娱乐、安全、模拟、连接等将成为快速增长的市场，而新兴的突破性技术--5G、射频、人工智能等将成为未来增长的驱动器。"格芯中国区总经理白农说

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