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引言, i& c+ ^) J& I7 L9 \+ l
半導(dǎo)體行業(yè)正在快速發(fā)展,主要由多個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅、更低功耗和小型化的需求?qū)動。先進(jìn)封裝技術(shù)在滿足這些需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,通過實現(xiàn)多樣化組件的異構(gòu)集成。本文以參考文獻(xiàn)為基礎(chǔ)概述了先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的主要趨勢和技術(shù)[1],非最新的信息,但可以見到技術(shù)的連續(xù)演進(jìn),當(dāng)年的預(yù)測依然正確。/ }* Y6 {9 |! i' m# Z' t
- k, U' g1 b* `8 W8 ^) d
5 ^5 _5 J8 A- P1 N2 A8 B! I) D8 ?驅(qū)動因素和應(yīng)用
, B Z& D5 E3 i! A5 c% N推動半導(dǎo)體行業(yè)增長的幾個主要應(yīng)用包括:; g) ?" {, z5 r) p; x7 Y* {1 N4 i
移動設(shè)備高性能計算自動駕駛汽車物聯(lián)網(wǎng)(IoT)大數(shù)據(jù)和云計算邊緣計算
: p( d& m3 G" S: a0 @, }0 a0 L, u7 _
這些應(yīng)用由人工智能和5G通信等系統(tǒng)技術(shù)驅(qū)動因素推動。為支持這些應(yīng)用,先進(jìn)封裝技術(shù)必須提供:
7 I3 B! A' V2 |( W6 j更高密度的集成改善電氣和熱性能降低成本加快上市時間
( j7 w8 d+ B- Z* W! B2 `
q! L4 W. k7 f# b7 ]7 x W, p- c8 g3 J' {9 C
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# X% p% C( E9 |$ K4 G. C8 N* U" H
圖1:各種先進(jìn)封裝技術(shù)的性能和密度比較
. a9 f5 `5 u9 o4 ?7 ^9 r$ M7 ?* @ O
主要先進(jìn)封裝技術(shù)
/ d( }; Q0 a$ O1. 扇出型晶圓級封裝(FOWLP)
4 q: c) P$ d: N0 X* t' wFOWLP通過將芯片嵌入模塑料中并形成重布線層(RDL)來擴(kuò)展傳統(tǒng)的晶圓級封裝,從而扇出連接。這允許在更小的形狀因子中實現(xiàn)更高的I/O密度。
! u+ N0 |1 {5 v$ v: v2 P
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% G' Q* h9 I8 s' D2 _; A% H' L$ F圖2:采用芯片優(yōu)先、面朝下方法的扇出型晶圓級封裝橫截面' g. e, [) g/ e3 w
, H1 {9 ?; V3 A9 Z2. 使用中介層的2.5D集成
7 i( m) |9 c5 X! O' ]# E+ A2.5D集成使用帶有硅通孔(TSV)的硅中介層來連接多個并排的芯片。這實現(xiàn)了高帶寬的芯片間連接。 H" _' M% o. D+ w) t! w
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9 C# H0 S% e6 _& ^1 t! I1 j0 M/ M
圖3:臺積電的局部硅互連(LSI)技術(shù),用于2.5D集成7 V* R2 s9 a& c$ x3 X- S w- W ?
6 E, w8 X' @+ `7 ^: U& e7 I3. 使用TSV的3D集成
, p0 r+ ]. ]/ W3D集成使用TSV垂直堆疊多個芯片進(jìn)行芯片間連接。這提供了最高的集成密度,但面臨熱管理和良率方面的挑戰(zhàn)。5 Q8 I0 z2 P7 n
( @8 h& v; G! J; N" l# k' i! A; j
4. Chiplet架構(gòu)9 W) E9 k4 Q% f5 m! W: S& I
Chiplet涉及將大型系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計分割成更小的芯片,然后使用先進(jìn)封裝進(jìn)行集成。這改善了良率并允許混合使用不同的制程節(jié)點。
6 L2 k# j" T; N: Z9 U8 Y
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+ X- G& l0 m& P) C& B9 m圖4:AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例
' i, J% g" g0 }' U8 L
6 y3 L$ _, x6 O0 y1 W5. 混合鍵合& |, `- F0 }% i9 I4 F
混合鍵合實現(xiàn)了芯片之間在非常精細(xì)間距下直接銅對銅鍵合,無需使用微凸點。這為芯片到芯片的集成提供了最高的互連密度。
6 f' G! o$ O$ p1 L/ g
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% O2 A; m, x0 B$ a$ [4 I. T9 ^; I圖5:微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較
* |# o. q4 y% ~9 P! X7 t) I' D3 r7 A u- ^$ |# P
關(guān)鍵封裝工藝' W4 C4 @6 x% `/ Q- l, ]
幾種關(guān)鍵工藝技術(shù)促進(jìn)了先進(jìn)封裝:3 _8 a+ D, i' t
1. 晶圓凸點制作2 Q) e9 W2 a8 ^( s. A4 e" f
晶圓凸點制作在芯片切割之前在晶圓上形成互連結(jié)構(gòu)。常見的凸點類型包括:7 P" @% R U7 S3 l( y+ J
焊料凸點(C4)帶焊料帽的銅柱(C2)# y9 G! `/ g8 y4 v5 _ M& n' x/ P
~! B9 c1 T# E# i
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! i; F! W; f9 }
圖6:C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程
; Y$ m. [$ L" a7 b6 i; [) x
. _, ]1 U1 u, J O% P2. 芯片貼裝和互連9 D& s( u8 X' W) h! _3 j
將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括:3 \5 s! ?$ s8 ~7 S7 |, L! w9 U
焊料凸點的回流熱壓鍵合(TCB)混合鍵合
6 r6 R; v/ B- M
( H+ [% f% |6 y" l- L& H0 {/ O3. 底填
" N4 W6 d; C5 b3 ^: ~2 Z底填材料被注入以填充芯片和基板之間的間隙,保護(hù)互連。
+ \' t* F3 f1 j0 L3 I$ F
: l$ Q9 o8 j& q# x% ?4. 重布線層(RDL)形成
- _- P9 N: C" ?- m: L* z1 URDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括:6 r4 B" Z6 J, b
光刻電鍍蝕刻
0 l5 T& y7 E! j. C' S; N$ O/ b3 x3 R* `" J5 `# W( Y: A& w2 t
5. 模塑
1 k; u5 i& f8 c' W0 \ C& W模塑料封裝芯片和互連以提供保護(hù)。方法包括:" n7 p, j5 F* h1 s
傳遞模塑壓縮模塑- T1 I' e$ N0 Q! H( J& J
9 I, m& @' ~+ p7 w# L( b& i先進(jìn)封裝趨勢
. L4 J% E) _+ `* o) N# Y0 z$ L1. 更精細(xì)的互連間距- H Y, D" x: N, T+ S/ r [& E
互連間距持續(xù)縮小以實現(xiàn)更高密度的集成:
( \& a) y$ K+ s/ i6 ~翻轉(zhuǎn)芯片凸點間距:最小50μm
5 @8 s z5 E8 n0 }8 [5 e( j) C微凸點間距:最小20μm
3 ], Y) G% a6 Q# _3 w6 h; Y混合鍵合間距:& w. w$ R+ F2 P$ j7 q
% X7 H& ~7 g2 z/ W3 w' K2. 面板級封裝7 }* S2 |% O4 n& w4 p8 S
從晶圓級到面板級處理的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
% E! N K) E* H# M( L; t$ ^; l2 X/ q- C# L) R% z/ u' _
3. 先進(jìn)基板" Q* s. [# n9 m- Y6 m! Q9 k
具有精細(xì)線/空間和嵌入式元件的有機(jī)基板正在實現(xiàn)更高密度的封裝。
- S# E) n7 Q: t+ k9 e' F E3 Q! t7 u6 }2 e3 S. `3 r, o2 g
4. Chiplet集成# N: R# h5 G6 r8 ^' V
作為單片SoC的替代方案,Chiplet的異構(gòu)集成正在增長。% r. L+ l4 T v6 w. K+ W. {
9 x' c: S) Y. `' R- t/ a0 M
5. 光電共封裝 (Co-Packaged Optics)
0 @0 M4 B' j% a" r4 J3 g# o4 [在封裝中集成光學(xué)元件正在實現(xiàn)更高帶寬的互連。
& |( Z+ a) F* T; t2 ]" O# Y* s. f; y v9 G% K( v6 B/ T9 K2 w
6. 先進(jìn)熱管理& c% ~0 N9 V1 P
正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。1 Y: @% s" d& | M6 F* u
$ s7 Z' Y7 m3 b9 b% a
$ A5 \8 a) w. n, ]1 g8 L
可靠性考慮
! C9 g4 J7 h' U- F# _隨著封裝變得更加復(fù)雜,確?煽啃宰兊弥匾。主要可靠性問題包括:
+ k1 E! o7 G) A5 J9 }+ K+ x, ^1 E互連的熱循環(huán)疲勞跌落沖擊抵抗濕敏性電遷移應(yīng)力引起的翹曲1 t' ]* c8 I" I) g" m: w$ v9 `
2 m* ^. Q$ T( z- X需要先進(jìn)的建模和測試方法來預(yù)測和改善封裝可靠性。( y h9 U1 h9 C* h
j) \# x5 _# n o+ G$ i
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1 O/ R s4 v4 @# Q) l+ B
圖7:與單片設(shè)計相比,Chiplet方法對芯片良率的影響
0 c" q* s+ u+ ]. i; l6 u0 q4 M2 Q1 ]9 b1 j$ {+ s+ m
材料開發(fā)7 Z# w9 w$ C- L7 s( K( r5 L
新材料對實現(xiàn)先進(jìn)封裝很重要,包括:
. i+ ?; s) _+ p用于高頻應(yīng)用的低損耗介電材料低熱膨脹系數(shù)模塑料精細(xì)間距底填材料低溫焊料用于RDL的光敏介電材料 B9 i$ j8 a2 T+ K# k0 b! k- C7 m
, W( s3 o( |" [/ ^! [, A C
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! w4 R1 l, l$ P, q) w1 F0 D6 @0 \
圖8:封裝材料介電損耗(Df)的路線圖
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0 R _3 V, x% H! y) h, \' g% I: H
圖9:封裝材料介電常數(shù)(Dk)的路線圖
0 Z+ K/ N: Q) W _- Z, r8 m5 m; t1 d9 \4 w4 t5 O
未來展望
7 x" W$ X. ]7 v$ Q" ^先進(jìn)封裝將繼續(xù)在推動半導(dǎo)體創(chuàng)新方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。需要關(guān)注的關(guān)鍵領(lǐng)域包括:
& M, F7 p6 P& Z) L9 x, `" j( g2 N% S晶圓級、面板級和PCB技術(shù)的融合Chiplet和芯片分解的增加采用超越焊料和銅的新型互連技術(shù)芯片和封裝的協(xié)同設(shè)計石墨烯等新材料的集成嵌入式冷卻解決方案用于封裝設(shè)計和優(yōu)化的人工智能% Y# a; [+ }& O, ]" x
: N; k" b( n4 h" v隨著封裝變得更加復(fù)雜并對整體系統(tǒng)性能更加重要,芯片設(shè)計師、封裝設(shè)計師和材料供應(yīng)商之間的更密切合作將變得不可或缺。" }* z; w6 m* t; V! m
- U; `5 b+ G0 v9 |1 d* L- s0 C! B
: A, S' ~( L- C8 o* e6 Z結(jié)論$ u A. S* B7 v. @+ n
先進(jìn)封裝正在快速發(fā)展以滿足下一代電子系統(tǒng)的需求。扇出型封裝、2.5D和3D集成以及Chiplet等技術(shù)正在實現(xiàn)前所未有的異構(gòu)集成水平。在材料、工藝和架構(gòu)方面持續(xù)創(chuàng)新對于克服挑戰(zhàn)和實現(xiàn)先進(jìn)封裝在未來應(yīng)用中的全部潛力將非常重要。
* L4 `4 z$ K- E, \. w% u q9 o$ T( ]2 {4 n) `7 g
: k1 e% q: }/ O y1 |. {參考文獻(xiàn)
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5 f, v) F$ E3 p1 E6 C
2 [ W+ M: w# S8 x$ K9 k/ x! L
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, S/ T. `+ s; C$ V8 E1 I歡迎轉(zhuǎn)載2 q1 h3 X" e8 W' s0 i- K
2 U! V' \+ Y( E' C; a4 ^轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
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1 N; w6 V0 ~" \6 P a: p1 K關(guān)注我們
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K B, Y% I: _, H4 G
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* P% W; x: a' Y+ P關(guān)于我們:
5 r0 v1 Q( ~/ u1 x4 ^) M L深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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