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
9 Y3 G+ @3 k7 L, H! E7 U" B半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展，推動(dòng)技術(shù)邊界，以滿足對(duì)更快、更高效、更強(qiáng)大電子設(shè)備的持續(xù)增長(zhǎng)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(jiǎn)介2.5D和3D封裝技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及在各種應(yīng)用中的影響[1]。

半導(dǎo)體封裝的演變
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(guò)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(guò)創(chuàng)新封裝技術(shù)提高功率效率。

性能：通過(guò)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(zhǎng)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(guò)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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; B9 ]% Y: e9 m" {/ u; F" _- p, l2.5D封裝技術(shù)
2.5D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(lèi)型：
! \4 t; y  k" G5 i1. 硅基中間層：

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(shì)：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(lái)趨勢(shì)：增加使用局部硅橋以解決面積限制和成本問(wèn)題。

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2. 有機(jī)基中間層：

使用扇出式模塑化合物而非有機(jī)基板。

優(yōu)勢(shì)：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(shì)：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)
, y% {, L: m9 T4 {  K3D封裝技術(shù)專(zhuān)注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：
% D6 C9 O+ f' j+ c1. 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(wèn)題，與銅相比電阻率較高。
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2. 混合鍵合：

通過(guò)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(shì)：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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1 c( {$ ?! |- A# y$ H) y應(yīng)用和市場(chǎng)影響
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)在多個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)中找到應(yīng)用：
1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：

推動(dòng)對(duì)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)。

. s! P+ s' B9 G; |2. 5G網(wǎng)絡(luò)：
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先進(jìn)封裝對(duì)5G無(wú)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。
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3. 自動(dòng)駕駛汽車(chē)：
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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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4. 消費(fèi)電子：
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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。

未來(lái)展望
- L* F  X" j: Y# ~/ T先進(jìn)半導(dǎo)體封裝行業(yè)將迎來(lái)顯著增長(zhǎng)和創(chuàng)新。需要關(guān)注的主要趨勢(shì)包括：
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互連間距持續(xù)縮小，特別是混合鍵合技術(shù)。

開(kāi)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。

隨著對(duì)更強(qiáng)大、更高效電子設(shè)備需求的持續(xù)增長(zhǎng)，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(chē)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。
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2 ]1 C: ^, W5 v) K8 D參考文獻(xiàn)
* ?( h; x# {' D8 g$ D[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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