IDTechEx | 先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展，推動(dòng)技術(shù)邊界，以滿足對更快、更高效、更強(qiáng)大電子設(shè)備的持續(xù)增長需求。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是先進(jìn)半導(dǎo)體封裝。本文簡介2.5D和3D封裝技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及在各種應(yīng)用中的影響[1]。

2 T/ G& ^: E0 A. Q6 @半導(dǎo)體封裝的演變
) E/ w  z! Z1 z! D$ G半導(dǎo)體封裝技術(shù)已從最初的1D PCB水平發(fā)展到今天的晶圓級(jí)3D混合鍵合封裝。這一進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了單位數(shù)微米的互連間距，能夠以高能效達(dá)到超過1000 GB/s的帶寬。

四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)塑造了先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的發(fā)展：

功率：通過創(chuàng)新封裝技術(shù)提高功率效率。

性能：通過縮短互連間距增加輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)，提高帶寬并減少通信長度。

面積：高性能計(jì)算芯片需要更大的封裝面積，而3D集成則需要更小的z軸尺寸。

成本：通過使用替代的更經(jīng)濟(jì)材料或提高制造設(shè)備效率，持續(xù)降低封裝成本。
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2.5D封裝技術(shù)
6 F* ]! u4 H8 h0 t7 Z8 m2.5D封裝技術(shù)涉及使用中間層連接多個(gè)芯片。根據(jù)中間層材料的選擇，2.5D封裝分為三種主要類型：
1. 硅基中間層：
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兩種選擇：硅中間層（全被動(dòng)硅晶圓）和硅橋（扇出式模塑化合物中的局部硅橋或帶腔基板）。

優(yōu)勢：最精細(xì)的布線特征，適用于高性能計(jì)算集成。

挑戰(zhàn)：材料和制造成本較高，封裝面積限制。

未來趨勢：增加使用局部硅橋以解決面積限制和成本問題。


2. 有機(jī)基中間層：
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使用扇出式模塑化合物而非有機(jī)基板。

優(yōu)勢：介電常數(shù)低于硅（較低的RC延遲），更具成本效益。

挑戰(zhàn)：難以達(dá)到與硅基封裝相同水平的互連特征縮減。

3. 玻璃基中間層：
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優(yōu)勢：可調(diào)熱膨脹系數(shù)（CTE），高尺寸穩(wěn)定性，光滑平整的表面。

布線特征有潛力與硅媲美。

挑戰(zhàn)：生態(tài)系統(tǒng)不成熟，目前缺乏大規(guī)模量產(chǎn)能力。
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3D封裝技術(shù)
3D封裝技術(shù)專注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：
1. 微凸點(diǎn)技術(shù)：

基于熱壓焊接（TCB）工藝。

技術(shù)成熟，應(yīng)用于多種產(chǎn)品。

持續(xù)努力縮小凸點(diǎn)間距。

挑戰(zhàn)：較小焊球中金屬間化合物（IMCs）形成增加，潛在的焊球橋接問題，與銅相比電阻率較高。

/ J1 K4 W$ G8 J: c# T. M* [- y2. 混合鍵合：

通過結(jié)合介電材料（SiO2）和嵌入金屬（Cu）創(chuàng)建永久互連。

實(shí)現(xiàn)低于10微米（通常為個(gè)位數(shù)μm）的間距。

優(yōu)勢：擴(kuò)展I/O，增加帶寬，增強(qiáng)3D垂直堆疊，提高功率效率，減少寄生效應(yīng)和熱阻。

挑戰(zhàn)：制造復(fù)雜性和較高成本。
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7 N+ _2 _' S% ]" t應(yīng)用和市場影響
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)在多個(gè)關(guān)鍵市場中找到應(yīng)用：
1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：
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推動(dòng)對高性能計(jì)算解決方案的需求。

需要能夠處理增加的功率和性能需求的封裝技術(shù)。
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2. 5G網(wǎng)絡(luò)：
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先進(jìn)封裝對5G無線電和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。

實(shí)現(xiàn)更高頻率和增加帶寬。

" w) O# \: y; U9 ?- Z) ^  |3. 自動(dòng)駕駛汽車：
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需要先進(jìn)封裝用于傳感器、處理器和通信系統(tǒng)。

強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境中的可靠性和性能。
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: b) A2 p! u% M# R4. 消費(fèi)電子：

智能手機(jī)、平板電腦、智能手表和AR/VR設(shè)備受益于更小的尺寸和更高的性能。

先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)在緊湊設(shè)計(jì)中集成多種功能。
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未來展望
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝行業(yè)將迎來顯著增長和創(chuàng)新。需要關(guān)注的主要趨勢包括：

互連間距持續(xù)縮小，特別是混合鍵合技術(shù)。

開發(fā)新材料和工藝以解決熱管理和功率效率挑戰(zhàn)。

增加采用基于chiplet的設(shè)計(jì)和異構(gòu)集成。

玻璃基中間層技術(shù)的成熟和潛在的廣泛采用。

制造工藝的進(jìn)步，以降低成本和提高良率。

8 ?4 \) X" m5 `8 ~9 p# ^2 R隨著對更強(qiáng)大、更高效電子設(shè)備需求的持續(xù)增長，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝將在實(shí)現(xiàn)下一代技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。從人工智能和5G到自動(dòng)駕駛汽車及更多領(lǐng)域，這些封裝創(chuàng)新將成為日益互聯(lián)和智能世界的核心。

( M& C: @/ B8 }( k+ b* N4 p' t參考文獻(xiàn)
  Y. N- \7 q3 [2 X7 ][1] IDTechEx, "Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications," IDTechEx, Jan. 11, 2024. [Online]. Available: https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=40634.
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: Y% y* Z1 g/ n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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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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