先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的趨勢(shì)與技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
半導(dǎo)體行業(yè)正在快速發(fā)展，主要由多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω�高性能、更低功耗和小型化的需求�?qū)動(dòng)。先進(jìn)封裝技術(shù)在滿(mǎn)足這些需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過(guò)實(shí)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(shì)和技術(shù)[1]，非最新的信息，但可以見(jiàn)到技術(shù)的連續(xù)演進(jìn)，當(dāng)年的預(yù)測(cè)依然正確。

3 U0 C+ q5 V+ b6 j& ~
. C0 ^0 i' q# o4 h* h. ~0 i驅(qū)動(dòng)因素和應(yīng)用
0 |2 l) @3 p$ r; j; S/ o  k" N推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)增長(zhǎng)的幾個(gè)主要應(yīng)用包括：
( ]' |2 ~  H! c* W' l, F0 l

移動(dòng)設(shè)備

高性能計(jì)算

自動(dòng)駕駛汽車(chē)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

大數(shù)據(jù)和云計(jì)算

邊緣計(jì)算
3 z- \. o0 k9 {4 L! e& Z* r, ?& p; J
這些應(yīng)用由人工智能和5G通信等系統(tǒng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素推動(dòng)。為支持這些應(yīng)用，先進(jìn)封裝技術(shù)必須提供：

更高密度的集成

改善電氣和熱性能

降低成本

加快上市時(shí)間


3 ]  N( `* h7 W" N8 X9 C1 R
3 w0 u" n7 [+ j$ J# d! \圖1：各種先進(jìn)封裝技術(shù)的性能和密度比較
6 U, G% ]7 a9 h8 W
- Z! I6 J5 M3 l# [* z9 `8 i主要先進(jìn)封裝技術(shù)
1. 扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）
' V; I) b) h& T7 e: JFOWLP通過(guò)將芯片嵌入模塑料中并形成重布線(xiàn)層（RDL）來(lái)擴(kuò)展傳統(tǒng)的晶圓級(jí)封裝，從而扇出連接。這允許在更小的形狀因子中實(shí)現(xiàn)更高的I/O密度。


# _% Z! \2 v1 w2 @% ^- Z% |圖2：采用芯片優(yōu)先、面朝下方法的扇出型晶圓級(jí)封裝橫截面

8 @0 W* k; {7 W2. 使用中介層的2.5D集成
$ D/ R3 [  M/ V( v+ \2.5D集成使用帶有硅通孔（TSV）的硅中介層來(lái)連接多個(gè)并排的芯片。這實(shí)現(xiàn)了高帶寬的芯片間連接。


圖3：臺(tái)積電的局部硅互連（LSI）技術(shù)，用于2.5D集成
) [) t" f9 o" `8 e" l
3. 使用TSV的3D集成
3D集成使用TSV垂直堆疊多個(gè)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)。
9 a$ u8 }9 H% T8 U/ ]. u: _
4. Chiplet架構(gòu)
9 e/ I* v( c; I1 qChiplet涉及將大型系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）設(shè)計(jì)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)。


圖4：AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例
5 q+ ~6 ~7 Y- j
5. 混合鍵合
混合鍵合實(shí)現(xiàn)了芯片之間在非常精細(xì)間距下直接銅對(duì)銅鍵合，無(wú)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。

; f2 |. ]) f9 x( J9 T: D) n1 x圖5：微凸點(diǎn)鍵合和混合鍵合方法的比較

) @! W$ I" e/ C/ J關(guān)鍵封裝工藝
幾種關(guān)鍵工藝技術(shù)促進(jìn)了先進(jìn)封裝：
- H. H! b9 m; p2 N- B% T/ @1. 晶圓凸點(diǎn)制作
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(jiàn)的凸點(diǎn)類(lèi)型包括：

焊料凸點(diǎn)（C4）

帶焊料帽的銅柱（C2）
- i. R) F+ }8 F. u
3 M* z$ }1 N" n3 F. i8 E4 c. E
7 U3 E4 @: i. w; ~2 J: S/ v0 @圖6：C4和C2晶圓凸點(diǎn)制作的工藝流程
& I/ X6 g4 r' H$ Y8 T- P1 q: r
, K, j2 ?6 S- N7 ^# r2. 芯片貼裝和互連
$ G% s/ s) g( O* S8 p! v: C將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括：

焊料凸點(diǎn)的回流

熱壓鍵合（TCB）

混合鍵合

" p. |% ^) D% T1 H4 c$ P# R3. 底填
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。
) f" S/ D5 H+ s8 V% Q5 O
' p) w2 `" X5 \& R4 T4. 重布線(xiàn)層（RDL）形成
8 a3 G% P; J1 v* n2 wRDL在芯片表面重新布線(xiàn)連接。主要RDL工藝包括：
( \1 v- ]0 |) `' k

光刻

電鍍

蝕刻
2 L7 l3 m4 z. V0 v! q
+ p  D& O4 m, `( \% B5 W4 v5. 模塑
模塑料封裝芯片和互連以提供保護(hù)。方法包括：
6 d* W+ Q6 c; k/ `3 T4 A

傳遞模塑

壓縮模塑
$ d  q# m- D! F" R# O
5 q/ R5 R  q1 T0 j先進(jìn)封裝趨勢(shì)
1. 更精細(xì)的互連間距
互連間距持續(xù)縮小以實(shí)現(xiàn)更高密度的集成：
/ X3 o1 ^& j- `4 p翻轉(zhuǎn)芯片凸點(diǎn)間距：最小50μm
) k! D- ~, x7 i微凸點(diǎn)間距：最小20μm
) N" I+ S2 T  [混合鍵合間距：
& q! \0 ?, s& J
7 C* ?8 {# r- G6 H! o, M) _8 w2. 面板級(jí)封裝
從晶圓級(jí)到面板級(jí)處理的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
9 n5 Q* b  K6 F3 p
- A% O+ g) s9 q% l. A$ i5 E# ?1 o; {3. 先進(jìn)基板
具有精細(xì)線(xiàn)/空間和嵌入式元件的有機(jī)基板正在實(shí)現(xiàn)更高密度的封裝。

2 {8 F2 x% n9 |9 A4. Chiplet集成
作為單片SoC的替代方案，Chiplet的異構(gòu)集成正在增長(zhǎng)。

5. 光電共封裝 （Co-Packaged Optics)
# G; {1 F  V( k! j4 M- R在封裝中集成光學(xué)元件正在實(shí)現(xiàn)更高帶寬的互連。
7 ^% Z! p" @. Z$ u) r# m; M; }
6. 先進(jìn)熱管理
正在開(kāi)發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來(lái)解決熱挑戰(zhàn)。
7 `: Z2 h, J% [' K

可靠性考慮
2 ^) {8 c+ _$ m7 b* @6 f! f1 _/ p隨著封裝變得更加復(fù)雜，確�？煽啃宰兊弥匾�。主要可靠性問(wèn)題包括：
. c5 l/ d! @( x9 s9 o

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 l6 U+ S( m' i' `$ E: G* A0 o# E
  i% Z. s  N6 f9 F+ l7 W5 ?4 _需要先進(jìn)的建模和測(cè)試方法來(lái)預(yù)測(cè)和改善封裝可靠性。


0 m' q9 K. _- H! x5 c圖7：與單片設(shè)計(jì)相比，Chiplet方法對(duì)芯片良率的影響

, N* J4 i$ O) K材料開(kāi)發(fā)
% s6 I, U; g6 Z6 M5 A# E新材料對(duì)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)封裝很重要，包括：
9 C+ m- ]6 K2 R- ^

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

' S* J2 `) u' j$ u% {6 a6 i* [  x
; u+ ~3 v; X$ t; R) q8 B6 ~
圖8：封裝材料介電損耗（Df）的路線(xiàn)圖


. V5 r1 v( [$ Z. j% A. x圖9：封裝材料介電常數(shù)（Dk）的路線(xiàn)圖

  w# w- z1 ^  @3 g: \未來(lái)展望
& m0 d5 g# L3 F# O# q! _7 N先進(jìn)封裝將繼續(xù)在推動(dòng)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：

晶圓級(jí)、面板級(jí)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(jì)

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(jì)和優(yōu)化的人工智能

隨著封裝變得更加復(fù)雜并對(duì)整體系統(tǒng)性能更加重要，芯片設(shè)計(jì)師、封裝設(shè)計(jì)師和材料供應(yīng)商之間的更密切合作將變得不可或缺。
. ]5 p5 i+ l( @( t4 Q
9 e" d% w2 U+ e0 s& [. L! x7 j( n( I
8 x% T. D: y) w; s5 k結(jié)論
先進(jìn)封裝正在快速發(fā)展以滿(mǎn)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(shí)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(duì)于克服挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)先進(jìn)封裝在未來(lái)應(yīng)用中的全部潛力將非常重要。
# c7 S( R: r8 a" }  a; w. U
7 z" B9 L2 b( I# x4 s
! T4 O7 W# u9 `1 `7 P& f& M2 B參考文獻(xiàn)
6 T( l0 [$ A' g; pJ. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
# P5 l* w' }0 P5 u* F! v
0 m, b$ y) Y/ l4 y- s9 ]0 C
6 H: I2 ]2 P8 C
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