先進半導體封裝的趨勢與技術

逍遙設計自動化

引言
半導體行業(yè)正在快速發(fā)展，主要由多個應用領域對更高性能、更低功耗和小型化的需求驅動。先進封裝技術在滿足這些需求方面發(fā)揮著關鍵作用，通過實現(xiàn)多樣化組件的異構集成。本文以參考文獻為基礎概述了先進半導體封裝的主要趨勢和技術[1]，非最新的信息，但可以見到技術的連續(xù)演進，當年的預測依然正確。
8 m# ]& K* C2 B' U" J

" m: a& g1 c5 n; k6 x( p' R$ S驅動因素和應用
推動半導體行業(yè)增長的幾個主要應用包括：

移動設備

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
4 z" F2 j7 R, ^  I8 ]
. S6 x8 x- j( E- V4 B) A  K  F1 i這些應用由人工智能和5G通信等系統(tǒng)技術驅動因素推動。為支持這些應用，先進封裝技術必須提供：

更高密度的集成

改善電氣和熱性能

降低成本

加快上市時間
0 ?6 I7 f0 R& c. _, S4 C
& s0 _6 A7 d& x# ^
( e" }9 k5 _% {. O6 B$ M% n7 ]0 }
圖1：各種先進封裝技術的性能和密度比較

主要先進封裝技術
- s# `1 I4 L: m: o+ F1. 扇出型晶圓級封裝（FOWLP）
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。


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

. z; U+ t8 k( U# ^9 l2. 使用中介層的2.5D集成
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。
8 d9 X. j# Q0 @9 L4 R9 d( ]

) b6 _7 G8 F2 I: s圖3：臺積電的局部硅互連（LSI）技術，用于2.5D集成
9 Q+ t' F9 q0 o/ j
' G4 g# r- _! Z5 I( U3. 使用TSV的3D集成
! J% y) T9 U/ f( _! [+ V3D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)。

7 V: n! c8 k5 L4. Chiplet架構
) a  ]7 ]2 F1 f/ N" X$ mChiplet涉及將大型系統(tǒng)級芯片（SoC）設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。

9 l9 e' K( g) o0 N! k
( ^& m+ p2 o( ]# j  ^8 k' d圖4：AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例

, A, Q! E7 L6 b  m  B5. 混合鍵合
  j, h5 U8 f5 X3 K' x% t8 n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。
- ?0 b1 \! S  U6 W4 C4 d" l! q7 P8 O
5 [; N: d4 ?! M圖5：微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較

" Z+ ^. v5 z1 s3 `1 j關鍵封裝工藝
幾種關鍵工藝技術促進了先進封裝：
1. 晶圓凸點制作
) i! U8 @+ w4 z# C晶圓凸點制作在芯片切割之前在晶圓上形成互連結構。常見的凸點類型包括：

焊料凸點（C4）

帶焊料帽的銅柱（C2）


9 T4 d& _" P8 g  ]9 b圖6：C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程
6 x* n8 Q0 o5 u% F2 p& C2 H
2. 芯片貼裝和互連
將芯片連接到基板或其他芯片的方法包括：
) w( z7 _+ \% \- v5 b, j

焊料凸點的回流

熱壓鍵合（TCB）

混合鍵合

( t0 E7 N! `% G; k4 X3 {& g; m& j4 J3. 底填
底填材料被注入以填充芯片和基板之間的間隙，保護互連。
. D; O) }) s1 T: \3 ]) C
& d6 p" H  M: b/ _4. 重布線層（RDL）形成
; B( P+ s$ ]2 {8 D8 z4 kRDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括：
$ ^9 C. |: n" Q/ Q

光刻

電鍍

蝕刻

, S3 I; ^' H- F: {5. 模塑
7 v2 a- j/ T3 y, |: S% @9 |模塑料封裝芯片和互連以提供保護。方法包括：
) K# B  C& p) k

傳遞模塑

壓縮模塑
4 |' h4 s- o1 m# R+ |- r
. t; d3 Y3 @& W* d- W  L先進封裝趨勢
1. 更精細的互連間距
互連間距持續(xù)縮小以實現(xiàn)更高密度的集成：
翻轉芯片凸點間距：最小50μm
1 Q/ d- L* `! |, @微凸點間距：最小20μm
! P  P$ }6 t1 `7 k- l! h+ U8 ?* w混合鍵合間距：
4 ~- U- W' W* S
2. 面板級封裝
5 P8 c$ F# r" e2 h* |5 e/ y從晶圓級到面板級處理的轉變實現(xiàn)了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
$ D8 u/ H, B% e
3. 先進基板
. L2 g5 x. ?1 Z  ~8 ^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。
. s/ W2 q# c4 Y! K3 P
' ^& n1 j2 g4 Y+ L; p/ T4. Chiplet集成
作為單片SoC的替代方案，Chiplet的異構集成正在增長。

) E2 Y5 E" R7 R! }7 Y  k# W9 k- K5. 光電共封裝 （Co-Packaged Optics)
8 G! Q$ ^7 u4 D1 m8 O* u/ a在封裝中集成光學元件正在實現(xiàn)更高帶寬的互連。

6. 先進熱管理
正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。

3 B- A3 M! J/ I
# x" @7 |. u9 h' p8 W可靠性考慮
隨著封裝變得更加復雜，確�？煽啃宰兊弥匾�。主要可靠性問題包括：

互連的熱循環(huán)疲勞

跌落沖擊抵抗

濕敏性

電遷移

應力引起的翹曲
/ ]# s5 c/ l+ H" E, p* F* \2 f
需要先進的建模和測試方法來預測和改善封裝可靠性。
* ?. R" w6 p' n( b7 c" }! J
1 H* _1 \; g' r! ^! m* d
圖7：與單片設計相比，Chiplet方法對芯片良率的影響

材料開發(fā)
新材料對實現(xiàn)先進封裝很重要，包括：
0 {/ q% B* L" k. T( Q  K1 L2 [

用于高頻應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
# q, K* ]* I1 P& H2 Y1 _6 `1 ^
. h7 k, t7 b8 }) G
$ W4 V- s. o: ]1 T) h% Q: k
圖8：封裝材料介電損耗（Df）的路線圖


* t+ P8 U5 F% h. X# }$ e圖9：封裝材料介電常數(shù)（Dk）的路線圖

! z4 a" J* q! U" T# |  H% k" {! W未來展望
先進封裝將繼續(xù)在推動半導體創(chuàng)新方面發(fā)揮關鍵作用。需要關注的關鍵領域包括：

晶圓級、面板級和PCB技術的融合

Chiplet和芯片分解的增加采用

超越焊料和銅的新型互連技術

芯片和封裝的協(xié)同設計

石墨烯等新材料的集成

嵌入式冷卻解決方案

用于封裝設計和優(yōu)化的人工智能
$ j3 H# s! @" H& P$ d
7 Z0 k% s! q) m/ G. Y* `隨著封裝變得更加復雜并對整體系統(tǒng)性能更加重要，芯片設計師、封裝設計師和材料供應商之間的更密切合作將變得不可或缺。
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( P" ~1 }3 ~' g
7 o# H+ q  \! i3 G結論
3 ?  c, \+ j/ {- J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等技術正在實現(xiàn)前所未有的異構集成水平。在材料、工藝和架構方面持續(xù)創(chuàng)新對于克服挑戰(zhàn)和實現(xiàn)先進封裝在未來應用中的全部潛力將非常重要。
, q, R# j- n5 n( Z% G
1 B& i  _$ n* k/ G
參考文獻
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.



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