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在选好代工厂加工晶圆以后，下面的步骤是晶圆的探针测试（Probing）和分拣（Sorting）、切割成晶粒（Dicing），以及后续的封装和测试。这些步骤统称为后端处理。本节主要谈的是最后的封装和测试部分，统称为封测。在大规模量产测试之前，还有性能验证和环境测试的部分，在2.3节细说。
芯片公司的封测有以下几种典型运营模式：
（1）IDM全部自营。
（2）芯片设计公司将封测全部外包到一家或多家公司。
（3）芯片设计公司仅将封装步骤外包，然后自己购买测试设备，开发测试程序，并由封测公司员工做具体测试（这里等于是租用了封测公司的场地和人员）。
（4）芯片设计公司仅将封装步骤外包，而拥有自己的测试基地和相关员工。
由上可见，除了IDM自营以外，封装的步骤因为属于固定资产较重的投资，一般芯片设计公司会选择外包。而测试的步骤因为是出厂前的最后关口，直接影响到产品出厂质量，因此很多芯片设计公司会选择（3）或（4）的模式，将测试的核心部分掌握在自己手里，避免在最后关口有外包厂家工作不尽责，而导致产品大面积退货的情况发生，许多大客户会对测试的落实有一定的要求。另外的因素是，很多国内的地方政府希望芯片设计公司有可以具体落地的工厂，而不希望是“皮包公司”样式的全外包类型，而建设测试中心是芯片设计公司在工厂投资方面耗资最少的选项。
当我们联系好晶圆代工厂并签署相关合同之后，就是安排封装和验证/测试的工序了。当晶圆被切割为许多晶粒以后，必须被密封和包装在某种特定的封装内，并以不同方式与外部物理连接，这就是所谓的“封装”步骤。
封装在供应链中是非常重要的一环，从芯片的定义阶段就必须做科学的决策。首先，封装的选择决定了芯片能否满足电气、机械、热管理、可靠性等需求。其次，封装还决定了芯片能否从成本和性能上形成竞争优势。比如在很多应用上能看到的多芯片的模块（Multi Chip Modules, MCM）或片上系统（System on Chip, SoC），就封装了多颗不同芯片在同一模块里。模块化的封装的好处包括了减小系统尺寸，提升响应时间，增强性能，使客户使用方便，等等。然而多颗芯片封装在同一模块里，使得热管理和处理信号干扰的难度又进一步提高，而且多芯片封装可能需要不同的制造设备、模具和加工工艺，就更容易出现质量问题。
封装与芯片制造的历史同样悠久，从最早只有金属罐（Metal Can）、塑封和体积很大的DIP（Dual In-Line Package，双列直插封装）封装，到今天已经有数千种类型且复杂到数千引脚的封装。图2.3显示了数十年来封装工业的一些最重要的封装类型及其出现的时间，其中的大多数几十年后仍然在使用，总体来说很多传统封装类型永远不会被淘汰，工业界的趋势还是在走向更小的整体体积。
从20世纪70年代DIP发明以后，四边都有引脚的QFP封装出现，比DIP更窄的SOP出现。20世纪80年代末的PGA封装和20世纪90年代的BGA（Ball Grid Array）封装是非常重要的发明，使得整颗芯片的下方都可以密植引脚，使引脚极多的复杂芯片不至于体积过大。QFN封装则是在SOP的基础上将引脚内收，不暴露在外而减少尺寸。2000年发明的CSP和WLP则可以看作是更小的，可以用更密集引脚分布的封装，在手机和其他对尺寸要求严格的应用中广泛使用。晶圆级CSP和WLP封装可以说是最小的封装解决方案，因为没有封装的外壳，其芯片整体尺寸基本与晶粒尺寸一致而又有对外的连接。在复杂系统方面，大量的SoC芯片、模块类芯片需要平铺或堆叠多颗晶粒或芯片，而集成在同一颗大芯片内部，这样又催生了无数特制的2.5D和3D新封装。
图2.3 部分代表性芯片封装的发明历程
注：本图来自AnySilicon。
下面列举几点在定义芯片时选择封装需要考虑的问题。
手机、笔记本电脑、汽车、工业、家电等不同应用对于芯片封装的偏好和限制非常不同。比如，手机的电路板制造工艺非常复杂而高端，内部设计必须极其紧凑，其又有严格的制造和质量控制体系，可以接受芯片使用引脚非常紧密的CSP和BGA封装；然而家电产品内部有足够的空间，需要简单的制造工艺以节约成本，那么就只愿意用引脚外露，间距也较不紧密的其他封装。而对于大部分的高端芯片，只能用某些特殊封装才能凸显其性能，许多SoC一类的大芯片只能采用CSP和BGA等封装。
开发成本需要一次性或多次投入，而每颗芯片的制造成本则影响产品毛利，对芯片公司而言两者都需要注意。封装的开发需要同时考虑电气、机械、热传导等问题，这些问题各有其对应的EDA、CAD软件和有限元仿真工具，有时为对应客户的特殊需求，或者我们的芯片要彰显某特色，需要研发特别的封装。封装厂因为不同的模具和设备需求，可能会收取少则几万美元，多则百万美元甚至更高的开发费用。有时比起盯住一家封装厂而支付很高的开发费用，不如多看几家，也许就有现成的方案或比较好的报价，有些封装厂可能更精于BGA型封装或模块型产品而有更多的开发经验。封装厂的水平与晶圆厂同样也有高端和低端之分。
开发成本也可能影响到每颗芯片的封装成本。举例来说，许多芯片需要先贴到引线框架上才能完成封装，而引线框架又有蚀刻（Etched）和冲压（Stamped）两种方法。冲压法需要一次性的较大的投入去做模具，但是冲压模具做好以后，每颗芯片的成本就有一定比例的下降。因此在芯片预计销售量很大的时候，封装厂可能会提醒说现在投资做冲压的框架比较合算。
如果芯片的定义需要一定数量的信号输入/输出口，那么封装显然就要提供正好或者多于这个数量的引脚。然而也有情况是需要先限定芯片的封装，然后再来定义能够最大限度发挥这个封装性能的芯片。
芯片的长和宽是很容易理解的限制，然而在很多应用上，芯片的厚度也非常重要，诸如手机、平板和笔记本电脑，都对芯片的厚度要求越薄越好而且有最大限制。对于像数据中心、5G通信的某些芯片，如光通信等，对于性能的要求逐年增加，然而系统里却没有多余的空间，芯片公司的新产品定义就可以多开脑洞，思考能否通过不同的封装和整合方案来做得再紧凑一点。
很多芯片因为处理大量计算，或者本身就是处理电源的芯片，所以大量散热。在封装界有很多人都在研究基于一定的尺寸限制，如何更好地将热散发出去。基于芯片封装的热管理，包括风冷和水冷的应用方案，也是全球电子业界相当大的一块业务。
比如特斯拉的电动跑车ModelS逆变器方案，需要用到大量的电源功率芯片IGBT，其原来是用IR的SuperTO247标准封装，自己研发焊接工艺，性能已经相当好。后来在Model3上又和供应商一起研发了特殊封装只供自己使用，其目的之一就是不断改进散热，进而用较少的元器件就能实现强劲性能，同时温度降低也提高了系统的可靠性。对于传统的功率芯片IDM，很难在芯片制造工艺本身取得重大突破，而更可能在先进封装上下苦功夫以取得客户青睐。
即使是同样的尺寸限制，有些封装技术的性能和可靠性仍然要高于其他的类别。比如长凸块再反贴（Bumping+Flip Chip）的工艺可以节省绑定线，在减少系统寄生电感，提升高频性能的同时，也可以提高可靠性。即使这样的工艺比传统打绑定线的封装要贵一点点，但因为物有所值，客户也会认可。
近年来国产芯片的一大突破口是以国产替换欧美日韩芯片，在替换过程中客户往往希望能够封装一致，甚至引脚的排列方式都一模一样（脚对脚替换），这样客户有了备用的供应商，而系统所需改动也很少。对于客户来说，当然欢迎有简单替换的多家供应商选项，事实上欧美大客户在近几年供应链紧张时，也纷纷启动了脚对脚替换行动。
我的意见是：在芯片定义时，我们需要调研在目标市场和客户处用量最大的竞争者芯片，应该不排斥与其脚对脚替换，但是当我方芯片有足够差异性时，那么脚对脚替换只是一个优先级较低的考虑项目。
很多芯片应用于较为严苛的环境中，如汽车行业，因此可能需要选择不同的封装材料，有关汽车的验证标准在5.4节中有详述。
从物流和责任的角度，将所有后端的芯片处理需求（主要是封测）全部交由一家公司完成是很合理的决定。这样从晶圆代工厂处理完毕的晶圆可以直接运送到封测厂，处理完一系列任务以后直接再寄到客户处，免得再产生多余环节，而且追究质量问题时也比较方便。一般来说，测试环节的准入门槛相对晶圆加工和封装来说较低，测试不需要多少研发工程师，测试环节只需要少数测试工程师基于某ATE（Automatic Test Equipment，自动测试设备）来开发，针对某芯片的具体测试程序，再加上较多操作员就可以了（工程难度较大的是设计ATE测试设备的厂家），因此封装厂商往往不吝于投资建设测试厂房以提升附加值。图2.4为测试厂房的典型情形。
选择封测厂家有以下一些重要的考虑方面：资质、服务、价格、处理时间、产能、关系等。
图2.4 芯片测试厂房一瞥
注：本图来自网络。
（1）资质。
资质、能力和覆盖范围无疑是选择厂家时最重要的因素。常见的封装，包括不同的引脚数量，可能有几千种之多，没有封装厂家能够覆盖所有的类别，它们总有擅长和不擅长之处。然而封装厂即使并没有某种我们感兴趣的封装，也一般不会轻易拒绝潜在的生意，其业务团队往往希望芯片公司可以支付不菲的封装开模费用，这时我们就要考虑是继续合作，还是寻找其他厂家。
除了拥有大量可选封装种类以外，封装相关的技术研发也非常重要，诸如长凸块、模块化封装、堆叠封装、晶圆级封装、扇出封装等，视具体芯片的不同要求而定。对于较先进的芯片或较复杂的模块，可选择的封装厂数量较少。
从测试的角度而言，芯片公司的测试工程师需要从芯片的预期规格来确定合适的ATE测试设备、探针和其他所需软硬件，然后寻找具备这些条件的测试工厂。如果芯片的引脚极其之多，处理器极为先进，时钟速度非常之快，或者芯片是某类特殊芯片，如内存芯片，就需要确保测试工厂具备测试这样芯片的资质。
测试能力的范畴还包括测试板的设计制造，有时这样的测试板需要满足高速、多层、高温、大功率等极端条件的测试需求。如果芯片公司本身尚不具备极有经验的设计工程师，那么需要咨询测试公司是否提供测试板的服务。
（2）服务。
封装厂除了常规的封装和量产测试以外，可能提供的服务还有对机械结构和热环境的设计仿真、环境测试、探针测试、测试程序开发、X光分析、故障检查等。比如我现在负责的芯片模块业务而对接的某些封装厂，除了模块结构设计和封装以外，我还要求对方提供整体的三维设计图、PCB设计、不同的材料选型和热仿真的服务，如果厂家在早年计划提供模块封装业务时没有未雨绸缪先安排好这些服务，那么竞争力肯定就较弱。
总体来说，对于很小的普通封装，很多地方都能做，封装厂的毛利肯定不高。为了多盈利，唯一的办法就是研发更先进的技术并给客户提供更多的附加值。
（3）价格。
封测的每一步骤，包括长凸块、打线、封装、测试、物流等的成本都需要加到晶粒的成本上，成为每颗芯片最终的成本，进而影响产品毛利，因此封测部分的价格当然非常重要。这里要注意的是因为封测厂各自的生产资源、生产情况和对具体客户的报价指导方针都不一致，很有可能报出的价格差距很大，因此对封测价格务必要多比较几家，以得到更多的市场价格信息。
（4）处理时间。
封测所需处理时间和具体的封装及测试类型有关，但是我们对大致需要的时间要心里有数。我们当然不希望哪天在晶圆厂加急订单买到的晶圆在封测环节需要花上几个月时间。在接触封测厂时，有必要了解在正常和加急处理时需要做的手续和预计的处理时间。
（5）产能。
封测环节在切换不同芯片时所花的额外时间是没有产出的，因此封测厂会尽量连续不中断地去处理大客户的生产，而延迟小客户的排期。在需要的芯片数量较少时，我们需要和封测厂多次确认其计划安排生产的时间；在需要的数量大时，我们尽量使用产能较充足的工厂。
（6）关系。
关系也是我们决定封测厂的重要因素。这家公司我们以前是否合作过？当时的合作愉快吗？对方如果是上市公司，最近是否有不利的新闻被披露？可以向行业里其他资深人士侧面打听一下对方的亲身体会。
在我们决定了使用某厂之后，需要与对方的业务负责人和其他重要员工建立良好的工作关系。关系的背后其实是信任。在封测产能需求旺盛时，工厂总是愿意先满足与自己建立起良好信任的客户，而对于没开过会，没见过面，只以邮件联系的客户，就算服务差一些也不会有心理负担。
供应链厂家一般不回绝生意，但是如果我们看到过高的报价，或者很难得到技术支持，那么可以想到我们的生意也许对方不一定感兴趣，因而要未雨绸缪。
（7）快封。
有一些中小规模的厂家不具备大规模封装的能力，他们的商业模式是接很小批量的订单，但是可以快速交货，使客户可以提前验证样品的性能。此类厂家一般坐落于客户较多的上海、深圳、硅谷等地。因人工成本较高而无法运营大规模封装工厂，但是离客户距离很近，有物流快捷的便利，业界一般称为快封厂。比如我们可能与某大型封装厂签订正式的商业合同，而与小型快封厂签订简单的服务合同，在晶圆厂寄出晶圆时，可能大部分寄到大厂，而少部分寄到小型快封厂，小厂可能提前数周甚至两三个月就提前把封装好的芯片寄给我们。
表2.5是一些从封装厂发来的较简略的前期接触问题，由芯片设计公司回答，以此来作为报价的基准，双方还要在后续接触中进一步确认更详细的需求。
表2.5 封装厂典型问卷
具体接洽项目时，就芯片基础信息、背面工艺、凸块工艺、封装和包装形式等具体细节，封装厂还有极为详细的调查表格需要芯片公司的封装团队来负责填写，本书不再详细举例。
由代工厂加工好晶圆送至封装厂进行封装，做好第一批工程样片并送至芯片设计公司时，离真正量产芯片还需要做很多工作。接下来我们需要确认样片工作是否正常、毫无故障，这一步经常会发现一些问题再送去晶圆厂重新流片，这一步称“路测”（Road Test）。在确认工作正常的前后，需要做各种可靠性测试（Reliability Testing）；多次试产以考查其生产良率；测得各项重要数值，测绘波形以生成芯片最后的数据手册，以及进行出厂测试的设置。
芯片的测试一般分为3类。
（1）探针测试。
晶圆制造好以后有时会最后增加一道探针测试程序，用于检查每颗晶粒的一些标准特性是否满足需求，探针测试能够检查的项目有限，然而其可以在早期筛选出有问题的晶粒而避免这些晶粒进入后续工序，可以节约整体制造成本。然而增加探针程序本身也增加了工序成本，因此对良率非常高且有把握的产品，常常不安排做探针测试。在安排做探针测试前，OSAT工厂有相当复杂的综合问卷，本书对探针测试不做进一步描述。
（2）可靠性测试。
芯片被允许量产而推向市场前，我们必须证明该芯片可以在客户的实际运用中经历各种严苛的运行环境而不致损坏，并且要证明可以在不同批次的生产中都能保证产品的质量。我们通过在不同时期试产的几个批次中提取一定的样品来做可靠性测试，而不必对生产的每颗芯片都做此测试。
（3）自动化出厂测试。
每颗芯片出厂时都需要经过常温下的电气特性测试，以淘汰不符合规格的芯片。不同于可靠性测试主要依靠人工进行，出厂测试因为数量极大，必须用ATE来进行。同时，也可以用ATE测试数据得到最终数据手册的参数表。
对于要求较高的场合，有时会做100%的高低温出厂测试，确保芯片在任何工作温度下的重要参数都落在规定区间内。因为测试时间显著加长，因而反映在生产成本上也更高。相比之下，要求较低的场合只需要常温下100%测试，而高低温性能仅做抽查。要注意，是否符合出厂规格，只与人为规定的各项参数限制有关。即使是一模一样的芯片设计，不同客户要求的出厂参数限制范围有区别，也需要不同的产品型号。
为了更快将产品推向市场，我们需要尽快做一批工程样片然后进行各种验证测试，以便于及时发现和修改问题，然后将改进的设计方案送回晶圆厂再做一批。对第一批实验晶圆，工厂可以安排6片或12片的工程批次，我们可以付加急费用以提前交货。在特殊情况下，如果工厂同意，可以要求对方先完成一两片晶圆以方便我方做快速验证，而把其他晶圆暂停在中间某步骤——如光刻阶段，这样如果发现一些容易修改的小问题，可以不用从头再来。
一般来说，差不多在设计完成，提交数据给晶圆厂流片的同时，就可以开始布置后续的生产测试开发、环境测试准备等工作。当收到第一批工程样片时，其中一部分被送到应用工程师处进行路测，另一部分被送到测试工程师处在ATE上试验自动测试程序，最后的一部分送到其他测试工程师处进行环境测试。在理想的情况下，在第一批样片中只找到一些无关大局的小问题，第二次流片必定能够全部解决，测试开发工作可以正常推进。而如果在验证过程中不幸发现严重的设计问题，必须改动大部分的金属层甚至封装形式，那么测试的程序开发也会随之暂停，当改进的芯片到手以后再继续推进原来的测试流程。在更坏的情况下，可能会需要第三版设计甚至更多改进工作。
验证和测试是相辅相成的过程，有时芯片的基本工作性能已经验证无误，但是环境测试中发现静电释放（ESD），闩锁效应（Latch Up），钝化层开裂（Passivation Crack）等问题存在，那么仍然需要回去继续改进工艺和设计。
这里列举一些其他的相关注意事项。
（1）合作初期——对于刚接触的封测厂，可以先提供一些较简单，或者优先级较低的产品来供这家新合作方来试生产，先将整体的合作程序走通，确保物流、质量等没有明显的隐患，以及所有相关的人都能建立起连接。等到两三个这样的合作周期走完，那时可以考虑给予其更复杂更重要的产品来做。
（2）测试芯片——对于较复杂的芯片，或者用新工艺流片的芯片，如果时间允许，可以先用MPW的方式流片出来以验证性能和工艺。
（3）物流问题——将要流片时，询问封装厂是否已经定好引线框架或者BGA基板，什么时候到货，以免晶圆都加工好了还在等封装的材料。
确保晶圆厂和封测厂准备好了接受我们的流片数据和加工好的晶圆。合同、人员、物料等需要提前确认。芯片公司自己也需要准备好接受工程样片。比如测试板要准备好，实验固件或软件也要提前写好。
（4）时间把控——完整的封装决策从封装设计开始，可能需要数周；然后是请目标客户检查批准，可能需要几小时到几周不等的时间；最后是封装的开模，可能需要3个月或更久。
（5）一些节约测试费用的办法如下：
①如可能，尽量避免使用较昂贵的ATE设备。
②在设计时加入可测性设计（Design For Test, DFT）。
③在量产以后经常回顾测试方案，看是否有简化的办法。
④在测试方案成熟以后将测试工序迁移去劳动力更廉价的厂家。
⑤如果芯片和封装不算贵，而通过前期生产发现良率已经控制得很好，那么可以完全放弃探针测试的步骤以节约费用，而在最后测试阶段直接淘汰坏片。
（6）测试外包——对于不熟悉测试程序的设计公司，可以外包这些步骤：DFT、ATE程序、DUT板设计制造、FIB、探针卡，在较大型的封测厂一般都能提供这些服务，或者能够介绍提供此类服务的厂家。
在验证和测试中，值得注意的一大问题是芯片数据手册规格与其实际最大工作限度和实际应用场合需求之间的关系，如图2.5所示。一般来说，实际应用场合的需求范围相对略窄，而芯片标注在数据手册上的规格则相对较宽，能够完全覆盖实际场合的需求，然而此芯片的理论最大工作限度，又比数据手册的规格更宽。举例说明：对于应用在12V工业总线下的数模混合芯片，其规格标称一般为16V，而实际能耐受的电压基本在24~26V。而在出厂测试时，可能将所有限度低于20V的芯片全部淘汰（因其落于较低的区间，可能有可靠性相关的长期隐患）。留有必要的余量，对于质量和品牌的形象较为有利。
图2.5 实际应用场合需求、芯片数据手册规格和理论最大工作限度三者的联系
此外，芯片设计公司往往还有对特殊实验室的需求，因为相当多的测试项目并非常规需求，而相关设备价值高昂，还需要全职专家人员，所以往往向第三方实验室求助，如失效分析、材料分析、X光扫描和其他非破坏分析、TEM测试、FIB修改、电化学分析、ESD测试、EMI测试、射频测试等。国内外都有不少相关资源。
对于可靠性测试，一般是芯片设计公司自行开发和执行，在本书5.2节“芯片可靠性管理初探”中继续详述。以下则简述一些自动化出厂测试问题。
当芯片设计公司没有自己的测试工厂而外包全部测试项目的时候，在开发相关测试流程时可能会面临较大挑战，如可能会导致成本上升，推出市场时间过久，以及没有被发现的质量问题。准备测试计划是为了提供足够的信息使测试厂家得以准确地报价，主要包括提供详细的需要测试的清单，以及相关的芯片信息（不必是全部芯片手册——特别在需要保密的情况下）。
测试清单包括了量产时需要进行的所有测试（注意，并不包括数据手册上的全部内容），并提供外围电路设置情况，以及对每项测试所期望的最大、最小值范围。除了对芯片本身性质的描述以外，测试工程师还需要制定以下内容：
（1）默认测试设置条件。
（2）测试程序的开发步骤。
（3）测试设备。
（4）温度测试范围。
（5）外部测试工厂。
（6）目标测试时间——在量产数据足够丰富以后，有时可以省略某些测试以节约时间。对于某些规格细节，只能靠芯片设计本身来保证，而不必或不能测试。
（7）测试价格目标——测试工厂会根据所需机台类型、折旧、人工，以及每颗芯片的目标测试时间来报价。
（8）测试硬件和软件的拥有权——特别是在可能转移到其他工厂的情形下，设计公司最好能够拥有所有相关的软硬件（这也是设计公司最好能自行开发测试能力的原因之一）。
（9）ATE测试机、分选机、探针台等设备选择。
（10）芯片插座和相关硬件设计——封测厂可提供此类服务。
（11）质量指标——芯片公司需要定义测试成功的指标。
（12）目标良率。
（13）项目开发时间和时间节点。
以这些内容作为基准，可以向多家测试厂寻求报价并签署最终合同。如果设计公司没有专职的测试工程师，而依赖于测试工厂开发所有的相关方案，则对方可能需要收取一定的测试咨询和开发费用。一般来说，因为测试工厂对芯片的了解总不如设计方深刻，而且设计者与第三方测试者就工程细节交流起来总没有那么直接方便，所以芯片设计公司即使没有自己的测试厂房，培养一支自己管理测试的团队还是很有必要。
芯片设计公司成长到一定规模以后，往往选择建立自己的测试中心。此时需要的已经不是测试厂，而要转向联系提供测试设备的公司。这里的测试设备主要用于可靠性分析和自动测试。另外，设计公司或IDM的规模成长到一定地步以后，如果芯片有一定的特殊性（处理器、内存等），而且需求量巨大，那么它们甚至会与设备公司定制研发测试设备。