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引言0 d. t, a2 s# x2 j2 S9 b9 {
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咝阅堋⒏凸暮托⌒突男枨篁?qū)動。先進封裝技術(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。本文以參考文獻為基礎(chǔ)概述了先進半導(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,當(dāng)年的預(yù)測依然正確。4 U& K" @$ c" ]" _, T
+ Y0 R+ m! i8 s% ~- c2 N/ W" C3 Q) L- H
驅(qū)動因素和應(yīng)用 V; `* {8 \) d. H# {3 e& P+ E/ m
推動半導(dǎo)體行業(yè)增長的幾個主要應(yīng)用包括:
3 ?5 A$ d4 c: J! n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
. |$ K1 m H u& O+ N7 M. C, @. O1 p0 j# w+ d
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,先進封裝技術(shù)必須提供:+ \6 o/ e6 l& w% ~5 z: e
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' N9 J9 Y% f" y7 }: e" T
: h8 f( C* ~* x v w+ a1 |
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( q& O* ?# J$ C" U圖1:各種先進封裝技術(shù)的性能和密度比較
3 O# d. t: I5 i" c, t: }6 n
# s$ p4 r) I8 M! q主要先進封裝技術(shù)$ U0 i+ `& M' N }$ [: I
1. 扇出型晶圓級封裝(FOWLP); P9 w, @ Q% t, }" }1 ]
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(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。) ` T1 |9 }- Z9 U, u) d* o/ @* s2 v
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$ Q4 y$ I2 s0 z* c! d [8 A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" }. D d7 @4 V2 F. e4 [+ @* N
) U& P$ Z- {* l2. 使用中介層的2.5D集成
( `. S% s( E1 f9 Z! S% C2.5D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。
! w9 J/ T0 c7 @) G0 Z9 y# }) P9 a1 O* @ A4 \7 t* _5 A
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: g( ?4 m# t9 r1 \4 ~, L圖3:臺積電的局部硅互連(LSI)技術(shù),用于2.5D集成: l; v. h7 g9 E7 z4 y. R" @
8 S9 v& c# l9 j' ~
3. 使用TSV的3D集成
' m7 O6 S' g( S6 g& M, S* T5 M3D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)。
5 T9 I. U" q' r* c2 r3 @
/ x8 S# h; _- p+ ?) L4. Chiplet架構(gòu)) ]. O4 z2 }$ e7 L8 w
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。6 E: s" `+ {5 `1 |
% c. ?: ]4 z9 T6 U; p
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! c Y: _' n, }3 {圖4:AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例) C: p `; h9 ^4 f6 u
8 `/ o7 Q$ R5 X% p1 t5 g5. 混合鍵合# ?8 y: W: k# i
混合鍵合實現(xiàn)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。$ H c& ^; F5 v' |$ B4 X0 z3 W
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* L1 @3 y0 [7 ]# Y8 ^3 q$ m
圖5:微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較& P' H, N7 w X1 ]+ p* M
2 E* A, Z6 _5 L/ P關(guān)鍵封裝工藝# f. o$ x6 b: @% N2 V3 a% u& V
幾種關(guān)鍵工藝技術(shù)促進了先進封裝:
% J- G+ R# {4 o- _$ k1. 晶圓凸點制作7 L- K% ] D: r
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:
& S. G4 ~8 b3 C( K: T焊料凸點(C4)帶焊料帽的銅柱(C2)
% s: h9 i1 D" N* i. {9 m7 X; A* q: u
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! d& n+ v0 ]( \圖6:C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程- {9 _+ ` I c5 v
' m( z% h, y6 q9 A" w+ Q) t2. 芯片貼裝和互連" B; Y7 j, h. I: e2 _
將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括:/ K o/ Y0 d7 b
焊料凸點的回流熱壓鍵合(TCB)混合鍵合
, h5 L$ ]* u3 ?/ {, K9 P; H* M5 S4 N! V2 R8 p7 y* r4 g; X+ b4 u
3. 底填- R0 q ^* J, j z
底填材料被注入以填充芯片和基板之間的間隙,保護互連。
( s: f) |" K9 V( H
# k" z- Z% b d C2 B+ F4. 重布線層(RDL)形成
( h3 Y I k$ h _3 f2 O9 ?RDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括:. O0 m) L- J! }+ |3 j) c2 X/ B
光刻電鍍蝕刻
8 T! m: Z! C. Y) \! d( Z7 o- I- M
5. 模塑
. t: X T4 m/ @) z5 \# p& t模塑料封裝芯片和互連以提供保護。方法包括:9 \3 H( ?* t* x# m# O
傳遞模塑壓縮模塑( w' s& R' \7 E: t" E4 Y. M
" t- N$ N0 P4 \
先進封裝趨勢
- m* q: z- j7 t+ q; e7 f0 g* }" \1. 更精細的互連間距
9 k# w8 j0 c" S- e4 T8 x2 q' F* Q互連間距持續(xù)縮小以實現(xiàn)更高密度的集成:; g2 E; b1 t3 k
翻轉(zhuǎn)芯片凸點間距:最小50μm7 O/ ~% b( ?; M) [
微凸點間距:最小20μm
' v1 r# b! g+ [' e& ]混合鍵合間距:/ ` g# @, p+ v/ u7 B
" M+ i- `% F9 ?2 S; ?2. 面板級封裝) d" x( J2 O6 {, e+ \8 Z2 t
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。: ^ |* k, r- ]$ K
7 o+ Y. i( m! s7 n9 V
3. 先進基板/ i' ]' z1 N# Y
具有精細線/空間和嵌入式元件的有機基板正在實現(xiàn)更高密度的封裝。+ f' Z6 [" T5 C" p
" T% M( R$ _2 r* T0 f* a* E
4. Chiplet集成$ Q: [8 _8 u3 d1 S
作為單片SoC的替代方案,Chiplet的異構(gòu)集成正在增長。+ T3 h. b; {3 `3 y& i! H' s) j, ]# S8 X
1 g) ^. k6 {2 D7 {1 \. b' y5. 光電共封裝 (Co-Packaged Optics)
1 D! {( N$ V5 X9 h在封裝中集成光學(xué)元件正在實現(xiàn)更高帶寬的互連。! W, k* l) Y0 w# }. _- d
' I% O8 N1 E+ Q. P7 x
6. 先進熱管理( M: E5 \* v( ^0 a
正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。
/ z& ~: D, F, e! ~; m2 t; N8 g* R }8 F, o- m; b$ ~8 _
" c( u$ ~. M, K1 C0 T+ N
可靠性考慮
" {2 Y4 E1 W. w, L/ e/ {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:
. S& b# C W; j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4 M" u! l, D* i& Y" }
7 J8 ?* p5 z2 B$ b需要先進的建模和測試方法來預(yù)測和改善封裝可靠性。
* q- R5 v) Z: \! ~: Y" P/ K4 A5 i' ~: G% \6 c0 x3 Z8 D
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9 [1 K' W8 z: |; J
圖7:與單片設(shè)計相比,Chiplet方法對芯片良率的影響
% b! M$ m0 [5 ?, f" O; ^; i% \7 T/ f) T
材料開發(fā)" u, `" T% k* ~) b
新材料對實現(xiàn)先進封裝很重要,包括:- D$ G8 L: l1 u
用于高頻應(yīng)用的低損耗介電材料低熱膨脹系數(shù)模塑料精細間距底填材料低溫焊料用于RDL的光敏介電材料$ O+ C! c8 H+ u
5 i. w6 n, P/ g# L
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5 c8 a. @ _' {* f W, Y圖8:封裝材料介電損耗(Df)的路線圖$ u2 i/ S6 p% w8 u3 x
% p1 @" e3 o$ W8 W
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6 @% s; P9 g; C: v
圖9:封裝材料介電常數(shù)(Dk)的路線圖
6 p/ p1 y9 |- E8 Y$ c
0 _1 F3 l# r$ O$ c ^8 I' m% C未來展望) p8 S) c( u# r1 T& `) l% P
先進封裝將繼續(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:
6 s. W$ a( I8 g- E9 C- k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
% V! r" l$ ` T3 F$ c3 A6 p! z1 i% E1 e. U
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。/ ~5 R# C" r" J% D, P
7 J3 E2 i: s! r9 O
. V- w8 Z* Q2 e. @* i4 o結(jié)論- g4 G- N* Q7 f, F: U) G
先進封裝正在快速發(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)先進封裝在未來應(yīng)用中的全部潛力將非常重要。
/ W, i( H9 _' _: d$ ^
/ @1 H5 F- W! |$ j
. R* s3 @0 w2 {7 H參考文獻4 |2 o+ a" N) Z, K" `
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
- D7 t, X; m; x n# ` N
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: d) u, k* x7 M% F- END -0 ^# l# A; T1 R# j
" {, R: L0 B3 B t% x0 E軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。; L2 E2 y5 W: n8 |4 L
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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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