先進半導(dǎo)體封裝的趨勢與技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
. E( T5 o5 R9 k% X* D/ W4 y半導(dǎo)體行業(yè)正在快速發(fā)展，主要由多個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω�高性能、更低功耗和小型化的需求�?qū)動。先進封裝技術(shù)在滿足這些需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過實現(xiàn)多樣化組件的異構(gòu)集成。本文以參考文獻為基礎(chǔ)概述了先進半導(dǎo)體封裝的主要趨勢和技術(shù)[1]，非最新的信息，但可以見到技術(shù)的連續(xù)演進，當(dāng)年的預(yù)測依然正確。
2 N) k: f9 P2 p4 L, p

) |; b8 X4 F, N; i( U驅(qū)動因素和應(yīng)用
推動半導(dǎo)體行業(yè)增長的幾個主要應(yīng)用包括：
. D& D# R0 U3 z  j' G

移動設(shè)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
1 L. ?" ~2 Q3 ~
4 v1 u/ B* {' ]5 f這些應(yīng)用由人工智能和5G通信等系統(tǒng)技術(shù)驅(qū)動因素推動。為支持這些應(yīng)用，先進封裝技術(shù)必須提供：

更高密度的集成

改善電氣和熱性能

降低成本

加快上市時間
9 {# E, B) L9 }

+ a  q$ Q5 l4 ^) ~3 e# L& M  d: _
圖1：各種先進封裝技術(shù)的性能和密度比較

+ E5 B, `0 g9 p6 q: B4 J7 h主要先進封裝技術(shù)
2 q9 |" i1 _8 P- z3 E( g1. 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。

) m0 q  r1 D* E6 W0 S* X4 \- K6 u
* V1 d5 J* J: i9 s9 \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

2. 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。
! L2 {+ Z8 ?$ X' v1 C3 {. p9 N
- G% o! \: R1 l) D/ p8 t9 s* l' L7 u
9 x* c* m3 Z  Y/ F7 ?3 D# |( }圖3：臺積電的局部硅互連（LSI）技術(shù)，用于2.5D集成
( o0 w( a+ J6 T* d
3. 使用TSV的3D集成
1 h: p3 t9 r+ Y3 y* m9 K' E3D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)。

4. Chiplet架構(gòu)
Chiplet涉及將大型系統(tǒng)級芯片（SoC）設(shè)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。


/ Z8 y& _/ B+ P2 s圖4：AMD和英特爾基于Chiplet的處理器示例

! q! w5 x) K9 ^5. 混合鍵合
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。

圖5：微凸點鍵合和混合鍵合方法的比較
. |& v6 u1 ?' c2 Z# ^
關(guān)鍵封裝工藝
) n1 v6 H6 B9 j9 {- b  r幾種關(guān)鍵工藝技術(shù)促進了先進封裝：
) D0 V/ i) p% ]3 J& E" `1. 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(jié)構(gòu)。常見的凸點類型包括：
* o9 u/ z0 u  y$ Z6 C

焊料凸點（C4）

帶焊料帽的銅柱（C2）

3 \* J! L0 x5 ^% v  i( p& T
圖6：C4和C2晶圓凸點制作的工藝流程

& M# w7 a3 f4 d) Z- K  D2. 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：
$ X  r- q( @# |, c

焊料凸點的回流

熱壓鍵合（TCB）

混合鍵合

3. 底填
( Q9 _2 o) Z& c1 W2 l1 j9 E底填材料被注入以填充芯片和基板之間的間隙，保護互連。

4. 重布線層（RDL）形成
RDL在芯片表面重新布線連接。主要RDL工藝包括：

光刻

電鍍

蝕刻
  m, Y7 y0 j$ R
5. 模塑
模塑料封裝芯片和互連以提供保護。方法包括：
+ X0 Y/ `2 `( u3 x

傳遞模塑

壓縮模塑
6 v) U( g  k* J4 @/ Q
先進封裝趨勢
! g# j0 v8 g5 A1. 更精細的互連間距
  Z, X2 y4 K  Y% e  e% [- d互連間距持續(xù)縮小以實現(xiàn)更高密度的集成：
翻轉(zhuǎn)芯片凸點間距：最小50μm
4 j1 [& n9 X% s8 @% u, a微凸點間距：最小20μm
混合鍵合間距：
) w. n0 d. r+ Y9 r) H0 ~' e: C
5 R8 x+ Y, ~2 u6 E2. 面板級封裝
從晶圓級到面板級處理的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了更大的制造規(guī)模和更低的成本。
* |# F2 T3 @3 |3 e( ^4 a
3. 先進基板
1 V- Q( J" Y9 X( D1 P3 P; j- Q3 R! j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。

4. Chiplet集成
作為單片SoC的替代方案，Chiplet的異構(gòu)集成正在增長。

9 v: A4 o2 D7 G9 \, r5. 光電共封裝 （Co-Packaged Optics)
在封裝中集成光學(xué)元件正在實現(xiàn)更高帶寬的互連。
" c7 @5 u7 q1 V* w& J& \; U1 `
, \6 |/ [: R1 U( l. I9 x; \' K0 P2 k6. 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)。
6 d/ y; P" m& T& C: U: z5 d
7 q+ L* i3 D6 P  I* |0 ~& u2 r* K, |  c
可靠性考慮
隨著封裝變得更加復(fù)雜，確�？煽啃宰兊弥匾�。主要可靠性問題包括：
- v4 f$ {3 X. \8 a

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

需要先進的建模和測試方法來預(yù)測和改善封裝可靠性。

8 l3 M: o0 y! G! a4 g
) N# ~. i3 G' H7 @, L2 O( s圖7：與單片設(shè)計相比，Chiplet方法對芯片良率的影響
. ^5 ?* N0 X! Q# }3 k$ m+ Q6 N
1 L( y; _/ f. Q( [1 {2 `7 @& K- B材料開發(fā)
新材料對實現(xiàn)先進封裝很重要，包括：

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

精細間距底填材料

低溫焊料

用于RDL的光敏介電材料

7 {- K6 Y. Z. l

, m: e3 e# o7 U* s% D圖8：封裝材料介電損耗（Df）的路線圖

( {& A/ m4 m; R# g; e) ?0 o( \
圖9：封裝材料介電常數(shù)（Dk）的路線圖
$ |6 D, V4 J: h7 Z% v
1 V# q$ m" ~/ |, d6 F) F未來展望
先進封裝將繼續(xù)在推動半導(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、面板級和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

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)計和優(yōu)化的人工智能

隨著封裝變得更加復(fù)雜并對整體系統(tǒng)性能更加重要，芯片設(shè)計師、封裝設(shè)計師和材料供應(yīng)商之間的更密切合作將變得不可或缺。
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# v) k1 a, Q! f* n6 [: M+ ~' @
結(jié)論
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(shù)正在實現(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)新對于克服挑戰(zhàn)和實現(xiàn)先進封裝在未來應(yīng)用中的全部潛力將非常重要。
4 W: K+ v& L# L7 G9 D& A

4 v& g  D7 w9 y參考文獻
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.



4 g: t* @/ p6 h$ t- END -

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9 H& y3 n  O8 R9 I1 I  G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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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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