先進半導體封裝的趨勢與技術

逍遙設計自動化

引言
半導體行業(yè)正在快速發(fā)展，主要由多個應用領域對更高性能、更低功耗和小型化的需求驅動。先進封裝技術在滿足這些需求方面發(fā)揮著關鍵作用，通過實現多樣化組件的異構集成。本文以參考文獻為基礎概述了先進半導體封裝的主要趨勢和技術[1]，非最新的信息，但可以見到技術的連續(xù)演進，當年的預測依然正確。
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1 }1 {- V/ y1 i+ Q9 r驅動因素和應用
推動半導體行業(yè)增長的幾個主要應用包括：

移動設備

高性能計算

自動駕駛汽車

物聯網（IoT）

大數據和云計算

邊緣計算
3 f# _+ _2 c# Y9 ^
: k: ^& S0 L! j/ d" q  y$ V這些應用由人工智能和5G通信等系統技術驅動因素推動。為支持這些應用，先進封裝技術必須提供：
4 K' v8 y  o- h2 x

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

+ D; q4 G, L4 Z; D8 }# z, g' r# k

: l5 u7 D2 J: @, L2 [圖1：各種先進封裝技術的性能和密度比較

主要先進封裝技術
1. 扇出型晶圓級封裝（FOWLP）
FOWLP通過將芯片嵌入模塑料中并形成重布線層（RDL）來擴展傳統的晶圓級封裝，從而扇出連接。這允許在更小的形狀因子中實現更高的I/O密度。
% c5 _' ^" I* }8 ^

6 a  p* {" ?5 k' N' O5 C5 L1 j) Q, h5 |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

' _* O" P. B& r$ _# T2. 使用中介層的2.5D集成
8 m; o& Y; ?4 |: O( d0 O# Y& h2.5D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。這實現了高帶寬的芯片間連接。


圖3：臺積電的局部硅互連（LSI）技術，用于2.5D集成

% [* z2 H1 a/ D3. 使用TSV的3D集成
3D集成使用TSV垂直堆疊多個芯片進行芯片間連接。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)。

+ Q3 p6 d/ M5 b) X% N4. Chiplet架構
Chiplet涉及將大型系統級芯片（SoC）設計分割成更小的芯片，然后使用先進封裝進行集成。這改善了良率并允許混合使用不同的制程節(jié)點。

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( L0 j* Q  ^; I# r+ X0 c8 M圖4：AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例
, P' c/ x! q& D
& I1 I0 M4 j- N8 c5. 混合鍵合
混合鍵合實現了芯片之間在非常精細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。

& e" b, C; o5 P% C+ u- j0 b圖5：微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較
% Z* _5 U2 B$ [8 M1 b7 a: U
  Q1 d& o% R6 y2 z4 G關鍵封裝工藝
幾種關鍵工藝技術促進了先進封裝：
1. 晶圓凸點制作
晶圓凸點制作在芯片切割之前在晶圓上形成互連結構。常見的凸點類型包括：

焊料凸點（C4）

帶焊料帽的銅柱（C2）
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( p# _* X! ~$ ~' t& Z2 i, u
圖6：C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程
. A' M' w% ^( Z- @5 r$ h
9 _5 }+ k* J) B+ s, B* \; n% e, i( F2. 芯片貼裝和互連
將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括：
% ?* q# L; O8 x4 P  ?& H

焊料凸點的回流

熱壓鍵合（TCB）

混合鍵合

3. 底填
! {2 }( Z0 ]+ i8 |; d底填材料被注入以填充芯片和基板之間的間隙，保護互連。

  z: o9 ]+ E3 {' I4. 重布線層（RDL）形成
9 i. p- A. Z: E/ k( C1 \& a; ^1 VRDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括：
/ W$ K! h% Y! s# D" v& ^

光刻

電鍍

蝕刻
6 U' |3 L/ n) ?& o' ], \
5. 模塑
模塑料封裝芯片和互連以提供保護。方法包括：

傳遞模塑

壓縮模塑
) N4 Z4 d% E1 H3 @9 h2 f
先進封裝趨勢
  S5 C) a: s# H& h2 z0 |1. 更精細的互連間距
' B* O( I% K$ m0 ]互連間距持續(xù)縮小以實現更高密度的集成：
翻轉芯片凸點間距：最小50μm
+ ~1 o% N; S5 q& v$ `- q1 B- r微凸點間距：最小20μm
, t1 ^& h* _/ x% W4 ^4 h混合鍵合間距：

: N. X0 W2 e' {$ p2. 面板級封裝
從晶圓級到面板級處理的轉變實現了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
& l* c* q. q6 [( |' d
  z. b5 j# v5 I3. 先進基板
8 Q; s' R3 L4 x& y3 Q* f具有精細線/空間和嵌入式元件的有機基板正在實現更高密度的封裝。
) x( o0 [6 X0 c  {# {
4. Chiplet集成
作為單片SoC的替代方案，Chiplet的異構集成正在增長。

5. 光電共封裝 （Co-Packaged Optics)
在封裝中集成光學元件正在實現更高帶寬的互連。

4 [& J. o) G' s; t: ?8 l6. 先進熱管理
正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。

% Z2 r. V, T# w' w
1 u7 s' q# L5 j" J可靠性考慮
隨著封裝變得更加復雜，確�？煽啃宰兊弥匾�。主要可靠性問題包括：
1 g; k! |6 ~# K. H1 q

互連的熱循環(huán)疲勞

跌落沖擊抵抗

濕敏性

電遷移

應力引起的翹曲

需要先進的建模和測試方法來預測和改善封裝可靠性。

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圖7：與單片設計相比，Chiplet方法對芯片良率的影響

9 u5 U- [  G- B8 W) w/ O材料開發(fā)
. E  Z# d9 o8 s# l+ f! u新材料對實現先進封裝很重要，包括：

用于高頻應用的低損耗介電材料

低熱膨脹系數模塑料

精細間距底填材料

低溫焊料

用于RDL的光敏介電材料

; v9 Z, T2 Z5 z/ I! a7 c
, L0 J! f0 e% V: P- L
' O; p3 P$ L! s圖8：封裝材料介電損耗（Df）的路線圖
- `# c  o: p  T) N% r7 J

( Q4 m* m3 h0 x, K  M圖9：封裝材料介電常數（Dk）的路線圖
1 C) Z. M/ Z$ L, @. U! L. d
未來展望
' d1 Z, C: j* i% B& M先進封裝將繼續(xù)在推動半導體創(chuàng)新方面發(fā)揮關鍵作用。需要關注的關鍵領域包括：
, R' r- U6 F  ^) A

晶圓級、面板級和PCB技術的融合

Chiplet和芯片分解的增加采用

超越焊料和銅的新型互連技術

芯片和封裝的協同設計

石墨烯等新材料的集成

嵌入式冷卻解決方案

用于封裝設計和優(yōu)化的人工智能
8 v1 k. x3 z  h5 W* e4 w/ ]
% e& N+ c2 t9 m隨著封裝變得更加復雜并對整體系統性能更加重要，芯片設計師、封裝設計師和材料供應商之間的更密切合作將變得不可或缺。
' |, Q* L# P  P

結論
先進封裝正在快速發(fā)展以滿足下一代電子系統的需求。扇出型封裝、2.5D和3D集成以及Chiplet等技術正在實現前所未有的異構集成水平。在材料、工藝和架構方面持續(xù)創(chuàng)新對于克服挑戰(zhàn)和實現先進封裝在未來應用中的全部潛力將非常重要。
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+ O8 ?! E: ]0 r; e參考文獻
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

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