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引言$ W* d, p9 z' W! I' k
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。" n& L2 Y6 \/ E. [
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- f6 E. x B# _5 s1 K驅(qū)動因素和應(yīng)用
" ]+ s3 v. z! u$ P推動半導(dǎo)體行業(yè)增長的幾個主要應(yīng)用包括:
7 R3 Q0 i4 D+ g6 m# a* b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
1 h; h+ c8 s2 ]
9 C# c4 V5 J% x+ K% [% P6 @! v& e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:1 r* |( u- B' d( k
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
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圖1:各種先進(jìn)封裝技術(shù)的性能和密度比較" M' n; B7 B8 g6 O) N8 t
! q3 {* Y& f; L; ?主要先進(jìn)封裝技術(shù)6 X% V% n5 j$ _1 R
1. 扇出型晶圓級封裝(FOWLP)) y' F7 Z- |; D' k' E
FOWLP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。
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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: P$ J5 r3 R( {
3 m8 C$ p. x$ t: e% C8 s2. 使用中介層的2.5D集成! a9 ?8 S; M; N! Q: v h; `; ]. ^& F
2.5D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。
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圖3:臺積電的局部硅互連(LSI)技術(shù),用于2.5D集成! d0 [- V& r8 K) @" e1 B; V- I6 Z
* U; ^! V/ O/ n( T4 N& v
3. 使用TSV的3D集成
; v! a% h: r! m, \) o% T3D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)。+ U3 p- o( t6 A; h% d
2 \9 L4 }: M) ?/ u4. Chiplet架構(gòu)
1 k. m; b6 B, x. L- V8 FChiplet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(diǎn)。
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圖4:AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例
7 o; Y5 L0 {2 }5 b4 B" M8 V
0 U- N9 K2 w% O) F5. 混合鍵合9 R* d6 ]/ Y' H2 H. X8 f0 }
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(diǎn)。這為芯片到芯片的集成提供了最高的互連密度。
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圖5:微凸點(diǎn)鍵合和混合鍵合方法的比較
; U, l* H% q3 |% Y; f& `& N7 M2 b! c
關(guān)鍵封裝工藝
. C& X, M j" o$ y幾種關(guān)鍵工藝技術(shù)促進(jìn)了先進(jìn)封裝:
2 x3 ?. }# g3 o! d* A W1. 晶圓凸點(diǎn)制作
8 s2 f2 i: v, @晶圓凸點(diǎn)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(diǎn)類型包括:
8 x- K; }: r8 t% i: U焊料凸點(diǎn)(C4)帶焊料帽的銅柱(C2)
& v! m/ b) h; l+ k) s! f2 C% o) P
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9 K' J$ n* w3 j2 u! ~% q) G" k; t8 R圖6:C4和C2晶圓凸點(diǎn)制作的工藝流程% z4 r1 ?4 n; L& C' S
7 |8 K* G! y( y+ P" e) {; V- D/ @7 W2. 芯片貼裝和互連 e; _ n$ |, A2 ~
將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括:
2 o: S- U( G( Q b焊料凸點(diǎn)的回流熱壓鍵合(TCB)混合鍵合, a2 t- X% D+ F- u# b" `: f& S
" k- ^" I/ R6 J! b0 n% e( h3 I6 l
3. 底填7 E) n) w" t) l* e
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。
7 [4 w3 e4 S+ _5 ~% L& c4 ]- c: o/ O- {% a$ v: ~
4. 重布線層(RDL)形成1 `7 f7 ]2 M5 S, p: W
RDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括:
/ {- p5 D! p5 t" q8 D8 ^光刻電鍍蝕刻/ a) g' e9 W" N, r" o" y
! q+ Z+ Q6 ]3 w* b7 H! L# m) q) }* y
5. 模塑
7 I2 y3 e; t5 Q! N8 N* R) D模塑料封裝芯片和互連以提供保護(hù)。方法包括:7 y8 x! }5 A; O' \0 @2 P
傳遞模塑壓縮模塑; {" Y) r! v6 t' M8 Q
# ?5 M! ^2 T: \; ~( ?8 ?- P& e先進(jìn)封裝趨勢( b3 Q0 Z$ N3 n! I
1. 更精細(xì)的互連間距
' O9 q/ h- R- Y% A/ A& F互連間距持續(xù)縮小以實現(xiàn)更高密度的集成:
% b3 r5 e/ Y* H翻轉(zhuǎn)芯片凸點(diǎn)間距:最小50μm
. J' D* m' R6 F* I) P* Q( j微凸點(diǎn)間距:最小20μm6 ]! T/ m/ {0 U3 Z/ b
混合鍵合間距:
. r& A& [7 k( V/ j* G+ F& g. {. Q' \
1 S/ x* K" y2 u. `2. 面板級封裝5 P3 c3 \8 q2 X+ L% u: O
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。
( G4 L' p# _2 e1 J. U2 p3 l+ ?5 h- n$ R9 |5 }4 m
3. 先進(jìn)基板
! M$ S6 _- i/ E/ ?7 K3 m3 g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。
: p; o' D$ S9 p" z( Y9 _5 c5 d& X; t2 `, `
4. Chiplet集成
9 Z$ c8 e1 i% f/ p2 ?作為單片SoC的替代方案,Chiplet的異構(gòu)集成正在增長。
5 i2 o, v" ^. g; t. S- M$ {; s7 e/ Z+ W. }- F
5. 光電共封裝 (Co-Packaged Optics)5 b& B& }# U" G5 [2 R0 K
在封裝中集成光學(xué)元件正在實現(xiàn)更高帶寬的互連。! z4 `4 `* f* n% E" X8 I
. i: K" ?! X. q% I/ s! s6. 先進(jìn)熱管理) m4 N; x( ^2 z8 h) S
正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。* Q, v; u5 Z! h/ C% N
7 h& k+ }1 ]0 }+ r/ g' v
# h# ?; g ?# {; p- R可靠性考慮, o g" L0 j3 S* z' g
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: D; @& ~% q1 P! m X
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& k, @: ~3 H' g, x- B* A
. S5 w q0 x5 S2 j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。. v# p5 m" D @& i# {5 K0 i1 k
9 R2 f$ p6 m- b. [2 _2 `: f9 d
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7 o Z2 a1 Z0 `# N6 y
圖7:與單片設(shè)計相比,Chiplet方法對芯片良率的影響
# j* T. o8 H* r7 r( ?! k
, {$ t, X7 b1 u材料開發(fā)
! A" k# q; |8 ?* H7 M' r0 p$ j5 _新材料對實現(xiàn)先進(jìn)封裝很重要,包括:: \5 s1 D" d( e% p% m$ e
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" n) L( {9 J, ]( k6 l- S. d1 g% o. X
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g6 [: `) }1 l6 h* e* L* ~7 {7 z
圖8:封裝材料介電損耗(Df)的路線圖
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- r9 Z3 p- z7 Z5 t2 P
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1 A6 U: @. | I" A2 L0 A
圖9:封裝材料介電常數(shù)(Dk)的路線圖, `6 O7 }1 D; D2 T: g) H
3 H! v. y) ^' b, f0 j* _; G未來展望0 m+ }$ f) {- T: I
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:
9 s) \3 V x9 {! }) p% V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
, p% S7 q! s \1 g; \& F* Q J) t* p, T6 V9 B/ L
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。) e+ S2 n, ~. B7 _2 Z
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: A0 A+ o# u4 J' ]* ~
結(jié)論) p& H. b8 F7 j& C, h& T6 ~9 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。( a3 }$ N; @9 ` k2 c4 [- C
- R) R* W: h+ d5 L( d
( o6 c% T. w6 c+ l1 w參考文獻(xiàn)/ {- k) F1 \/ x$ C
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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/ T7 |& N/ @4 B. T- S1 ~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(fèi)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。! d+ {+ [, D7 w! @0 }/ s; q! O
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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(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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