在日常閑聊或者一些科技快訊里，我們經(jīng)常能聽(tīng)到一種聲音：某某新技術(shù)又取代了舊技術(shù)。具體到芯片封裝領(lǐng)域，很多人下意識(shí)地就會(huì)認(rèn)為，F(xiàn)lip Chip（倒裝芯片）是更高級(jí)的“升級(jí)版”，而Wire Bond（引線鍵合）是即將被淘汰的“過(guò)渡技術(shù)”。

從“握手”方式看本質(zhì)差別

Wire Bond的方式，有點(diǎn)像兩個(gè)人隔著一段距離，其中一人伸出手臂（鍵合線），繞過(guò)一些障礙，去握住對(duì)方的手。這條手臂就是細(xì)細(xì)的金線或銅線。芯片（Die）被固定在基板上后，通過(guò)這種“飛線”的方式，把邊緣的電路點(diǎn)和基板連接起來(lái)。信號(hào)走的是一條“拱橋式”的路徑，路程相對(duì)較長(zhǎng)。而Flip Chip則直接得多。 它相當(dāng)于在芯片的“手掌”上，密密麻麻地長(zhǎng)出了無(wú)數(shù)個(gè)微小的錫球（bump）。然后，把芯片整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)（Flip），讓這些錫球直接對(duì)準(zhǔn)并焊接在基板上。這是一種面對(duì)面的“擊掌”，信號(hào)路徑被壓縮到最短。這兩種方式，本質(zhì)上是“邊緣引出”（Wire Bond）和“面陣引出”（Flip Chip）的區(qū)別。一個(gè)只能利用芯片的邊緣來(lái)“伸手”，另一個(gè)則能把整個(gè)芯片表面都變成連接點(diǎn)。這決定了它們的I/O（輸入/輸出接口）數(shù)量上限，從一開始就不在一個(gè)量級(jí)上。

高頻世界里的“分水嶺”

當(dāng)芯片的工作頻率越來(lái)越高，數(shù)據(jù)吞吐量越來(lái)越大時(shí)，這兩種連接方式的差距就體現(xiàn)出來(lái)了。Wire Bond那條長(zhǎng)長(zhǎng)的“手臂”（鍵合線），在高頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的寄生電感效應(yīng)。你可以把它想象成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的天線，不僅會(huì)干擾自身的信號(hào)，還可能串?dāng)_到旁邊的線路。這對(duì)于追求極致速度的CPU、GPU來(lái)說(shuō)，是難以接受的。Flip Chip的超短路徑，則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槁窂蕉?、分布均勻?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流的阻抗更低，高頻信號(hào)能更穩(wěn)定、更保真地傳輸。這就像是把彎彎曲曲的鄉(xiāng)間小路，直接升級(jí)成了筆直的多車道高速公路。所以，你現(xiàn)在能看到，幾乎所有頂尖性能的芯片——無(wú)論是電腦里的CPU、顯卡上的GPU，還是用于人工智能訓(xùn)練的AI加速器——幾乎無(wú)一例外地采用了Flip Chip技術(shù)。這正是NVIDIA、AMD等公司的高端產(chǎn)品必須走“倒裝”路線的根本原因。

散熱的“快車道”與“慢車道”

芯片性能越高，功耗越大，發(fā)熱也越厲害。怎么把熱量迅速導(dǎo)出去，是封裝必須考慮的問(wèn)題。金鑒實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作，確保每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)無(wú)誤地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在散熱這條路上，Wire Bond走得比較曲折。熱量從芯片出發(fā)，要先經(jīng)過(guò)它底部的粘合劑（Die attach），傳到下方的金屬框架（Leadframe），再傳到外面的電路板上。整個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)多，路徑長(zhǎng)，熱量容易“堵車”。Flip Chip則給熱量開了一條“快車道”。芯片翻轉(zhuǎn)焊接后，它的背面是露在外面的。工程師可以直接在芯片背面貼上散熱片或者導(dǎo)熱材料。熱量從發(fā)熱源（芯片內(nèi)部）到散熱設(shè)備（散熱片），幾乎是直通的，效率大大提高。當(dāng)然，這種優(yōu)勢(shì)只在高功耗場(chǎng)景下才顯得尤為重要。對(duì)于很多中低功耗的芯片，比如遙控器里的控制芯片，Wire Bond的散熱能力已經(jīng)綽綽有余。成本：決定技術(shù)分布的那個(gè)“看不見(jiàn)的手”如果說(shuō)性能和散熱是技術(shù)天花板，那么成本，就是決定大多數(shù)芯片命運(yùn)的“那只手”。Wire Bond的優(yōu)勢(shì)，恰恰在于成本。

這是一項(xiàng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)，它的設(shè)備極其成熟，折舊成本已經(jīng)攤得很薄。鍵合用的銅線或金線，雖然細(xì)但價(jià)格可控。它所用的基板也相對(duì)簡(jiǎn)單，不必做得非常精密。所有環(huán)節(jié)加起來(lái)，就是一個(gè)字：省。對(duì)于需要大規(guī)模出貨的芯片來(lái)說(shuō)，省下的每一分錢，都是純利潤(rùn)。Flip Chip的成本，則要“講究”得多。首先，在芯片上長(zhǎng)錫球（bump）本身就是一道復(fù)雜的工序，需要光刻、電鍍等一系列高精度步驟。其次，把芯片高精度地貼裝到基板上，對(duì)設(shè)備的要求也更高。更關(guān)鍵的是，為了保證這些密密麻麻的錫球在受熱膨脹時(shí)不會(huì)斷裂，還需要注入一種特殊的填充材料（underfill）來(lái)加固。這一整套流程下來(lái)，材料和制造成本都上去了。所以，結(jié)論很清晰：只有當(dāng)一顆芯片的性能足夠強(qiáng)、溢價(jià)足夠高時(shí)，它才有資格去“消化”Flip Chip帶來(lái)的成本增量。這也解釋了，為什么我們身邊絕大多數(shù)的MCU（微控制器）、模擬芯片、電源管理芯片（PMIC），至今仍然大量使用Wire Bond技術(shù)。因?yàn)樗鼈儗?duì)成本極度敏感，而且Wire Bond的性能已經(jīng)完全夠用。

可靠性：兩種不同的“衰老”方式

Wire Bond常見(jiàn)的“病”，往往出在那根“手臂”上。比如鍵合點(diǎn)下方出現(xiàn)裂痕（彈坑）、線拉得太長(zhǎng)發(fā)生塌陷（塌絲）、或者焊點(diǎn)在長(zhǎng)期熱脹冷縮中疲勞脫落。因?yàn)橛昧藥资辏こ處焸儗?duì)這些“毛病”已經(jīng)了如指掌，有非常成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)和檢測(cè)方法來(lái)預(yù)防和修復(fù)。Flip Chip的“病”，則更像是“內(nèi)傷”。它的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于那些微小的錫球（bump）在冷熱交替中產(chǎn)生疲勞開裂，或者填充的underfill材料發(fā)生斷裂，再或者芯片、錫球、基板三者熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大。這些問(wèn)題更隱蔽，對(duì)材料和工藝的匹配度要求極高。

產(chǎn)業(yè)格局：規(guī)模市場(chǎng) vs. 性能市場(chǎng)

Wire Bond，服務(wù)的是一個(gè)“規(guī)模市場(chǎng)”。它的核心使命是：在保證基本功能的前提下，把成本壓到最低，把良率提到最高，并且能在長(zhǎng)達(dá)十幾、二十年的時(shí)間里，穩(wěn)定、持續(xù)地供貨。我們生活中的家電、汽車（非智能駕駛部分）、玩具、各種外設(shè)，背后都是Wire Bond芯片在默默地、可靠地工作。

Flip Chip，服務(wù)的則是一個(gè)“性能市場(chǎng)”。它的使命是：不斷挑戰(zhàn)帶寬的極限，把功耗密度做得更高，把系統(tǒng)的整體性能推到極致。它服務(wù)的對(duì)象，是那些渴望最強(qiáng)算力的數(shù)據(jù)中心、頂級(jí)玩家和專業(yè)工作者。至少在可以預(yù)見(jiàn)的短期內(nèi)，答案是否定的。原因很簡(jiǎn)單：這個(gè)世界對(duì)芯片的需求是多元的。全球每年生產(chǎn)的芯片中，有海量的一部分，不需要處理4K視頻，不需要運(yùn)行大型游戲，不需要參與人工智能訓(xùn)練。它們只需要精準(zhǔn)地完成一些基礎(chǔ)任務(wù)，比如控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且足夠便宜。只要這個(gè)龐大的“夠用就好”的市場(chǎng)存在一天，Wire Bond這種極具成本效益的技術(shù)，就會(huì)存在一天。先進(jìn)封裝的不斷發(fā)展，它的真正意義，并不是要“消滅”傳統(tǒng)封裝，而是把“性能”這個(gè)天花板，不斷向上抬升。它把高端區(qū)間帶到了更高的維度，同時(shí)也把Wire Bond牢牢地穩(wěn)固在了它最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域里。在工程的世界里，沒(méi)有絕對(duì)的“最好”，只有動(dòng)態(tài)平衡的“最適合”。當(dāng)我們下次再討論芯片封裝時(shí)，或許可以問(wèn)一個(gè)更有價(jià)值的問(wèn)題：這顆芯片，它到底需要什么樣的能力邊界？