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。
2 E2 C+ N) m4 D

驅動因素和應用
* Z! f" }; C( R: Z4 y推動半導體行業(yè)增長的幾個主要應用包括：
8 l: V" t8 ~+ R2 M1 s% m  R3 [

移動設備

高性能計算

自動駕駛汽車

物聯網（IoT）

大數據和云計算

邊緣計算
- ^# J* D1 o8 u! a: m
/ C- f( K; q9 ]2 F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 e- D9 G, |5 }8 r5 y2 J* A


圖1：各種先進封裝技術的性能和密度比較
7 p1 ?; i. Q; z$ m8 z
主要先進封裝技術
1. 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更高的I/O密度。
* X0 L( L- W. X# R% O" l
1 I9 Q4 b, M+ C9 R- X' i" u9 X) R( c* W
# n  T" a2 z/ A$ e" Z8 s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

% V, L4 V: s, O/ [2. 使用中介層的2.5D集成
' N. E* m' }& l) V3 p% ^7 }, U2.5D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。這實現了高帶寬的芯片間連接。
% \1 W" N% c3 o9 |4 L) W4 l
  y# g3 B; }4 y
圖3：臺積電的局部硅互連（LSI）技術，用于2.5D集成
/ E# Q2 @- U4 R+ H+ r
9 `  S3 E5 p, B2 x- g1 d6 A3. 使用TSV的3D集成
3D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)。
6 y" A& Z9 @8 Y1 f& i7 @- {
& J. B3 ^) U! o  Z6 ]4. Chiplet架構
1 }4 h, r' e0 y4 x* c0 aChiplet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。
& h6 T0 P' ?7 ^4 F7 s' N; H! C

圖4：AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例

5. 混合鍵合
混合鍵合實現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。
: z! l$ r  J" U: Q9 P; w5 j
圖5：微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較
8 ^' G" b3 ^4 b6 @6 S1 U! o* ~$ m0 ?
7 u1 G( ]5 i5 w2 ?, c& }關鍵封裝工藝
/ X/ I2 q. ]/ N! u+ b3 q幾種關鍵工藝技術促進了先進封裝：
; j: N, C9 J! H! }2 ?+ x1. 晶圓凸點制作
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：
+ f  K  v  U. v$ {* y

焊料凸點（C4）

帶焊料帽的銅柱（C2）

; y) A/ P* z7 {
圖6：C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程

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：

焊料凸點的回流

熱壓鍵合（TCB）

混合鍵合

3. 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。

! Z) `$ E3 \* J) P. H1 @; ^4. 重布線層（RDL）形成
+ I5 ~6 X4 u  C) ^; `RDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括：
: m. H, S- H' M6 L

光刻

電鍍

蝕刻
$ U/ x* F/ a8 V9 a
5 ^0 K- M+ `5 G- z9 k6 G5. 模塑
! F0 V- b' O+ a2 O3 |模塑料封裝芯片和互連以提供保護。方法包括：
% y: Z$ U$ Z/ g# w. {9 ~

傳遞模塑

壓縮模塑

- n: Z- l' ^$ ?* \2 C先進封裝趨勢
1. 更精細的互連間距
互連間距持續(xù)縮小以實現更高密度的集成：
% p) b- m$ ~5 n& x翻轉芯片凸點間距：最小50μm
微凸點間距：最小20μm
混合鍵合間距：

0 m9 C4 P0 [3 j  i2. 面板級封裝
  P+ G& E! W$ _3 S2 g8 I從晶圓級到面板級處理的轉變實現了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
$ \" J( Y+ o8 x  @
# W/ I7 E( O2 Q8 O3. 先進基板
" W. p2 S  c* G% M具有精細線/空間和嵌入式元件的有機基板正在實現更高密度的封裝。
3 c" x1 f6 Y+ w8 c
( I" C1 H( d, m& k4. Chiplet集成
: o' a# V9 G# C# Z作為單片SoC的替代方案，Chiplet的異構集成正在增長。

+ |3 g" R- i7 ^5. 光電共封裝 （Co-Packaged Optics)
; T; o& S  ?" J. k& c4 p: ^在封裝中集成光學元件正在實現更高帶寬的互連。
7 @- D) j$ v# O# e# t- w% n
6. 先進熱管理
% @+ ]- ]( v0 P% h8 c% @" d0 Q正在開發(fā)微流體等新型冷卻解決方案來解決熱挑戰(zhàn)。
0 B+ }( U& U5 w7 r) J
5 j) l# Z# O. ]$ g1 L
可靠性考慮
1 T- {% t, L! [1 i; T5 ]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：
- H( @6 j' q* a' t0 k% M" ~

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

# e, I: R8 s$ [: P) z, _! c需要先進的建模和測試方法來預測和改善封裝可靠性。


/ d. m+ {- y) a* L圖7：與單片設計相比，Chiplet方法對芯片良率的影響

) R$ [' \% a- @/ D& @& l材料開發(fā)
2 I5 `8 r3 G0 U( R, y: J9 e! {8 Z新材料對實現先進封裝很重要，包括：
3 x& V& }6 ?. g* R

用于高頻應用的低損耗介電材料

低熱膨脹系數模塑料

精細間距底填材料

低溫焊料

用于RDL的光敏介電材料


( {8 J  D  [7 j
2 [  L0 n# ^  d% K$ F/ Q0 E圖8：封裝材料介電損耗（Df）的路線圖


/ f. j4 ?2 i1 I  d4 J圖9：封裝材料介電常數（Dk）的路線圖
" H) b, Z/ O! K2 Q4 \
未來展望
& q) F6 S- o0 _) C9 s1 _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：
  n- V& M7 @1 Q. |4 T' s4 t

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
: m& Y& R! O$ Y6 y0 j4 N
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。

- |8 i, Z" t/ B
結論
5 V! G- Z9 k" q0 I, u% J" r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)和實現先進封裝在未來應用中的全部潛力將非常重要。


參考文獻
6 d+ t3 s6 Z8 }, S& B% JJ. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.



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