IDTechEx | 先進半導體封裝技術(shù)

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引言
半導體行業(yè)不斷發(fā)展，推動技術(shù)邊界，以滿足對更快、更高效、更強大電子設備的持續(xù)增長需求。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是先進半導體封裝。本文簡介2.5D和3D封裝技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及在各種應用中的影響[1]。
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半導體封裝的演變
' {/ \) A+ A. n5 f半導體封裝技術(shù)已從最初的1D PCB水平發(fā)展到今天的晶圓級3D混合鍵合封裝。這一進步實現(xiàn)了單位數(shù)微米的互連間距，能夠以高能效達到超過1000 GB/s的帶寬。
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四個關(guān)鍵參數(shù)塑造了先進半導體封裝的發(fā)展：

功率：通過創(chuàng)新封裝技術(shù)提高功率效率。

性能：通過縮短互連間距增加輸入/輸出（I/O）點數(shù)，提高帶寬并減少通信長度。

面積：高性能計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：通過使用替代的更經(jīng)濟材料或提高制造設備效率，持續(xù)降低封裝成本。
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2.5D封裝技術(shù)
2.5D封裝技術(shù)涉及使用中間層連接多個芯片。根據(jù)中間層材料的選擇，2.5D封裝分為三種主要類型：
8 U; _! O, P5 t4 Z+ f/ i9 p1. 硅基中間層：

兩種選擇：硅中間層（全被動硅晶圓）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：最精細的布線特征，適用于高性能計算集成。

挑戰(zhàn)：材料和制造成本較高，封裝面積限制。

未來趨勢：增加使用局部硅橋以解決面積限制和成本問題。
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2. 有機基中間層：

使用扇出式模塑化合物而非有機基板。

優(yōu)勢：介電常數(shù)低于硅（較低的RC延遲），更具成本效益。

挑戰(zhàn)：難以達到與硅基封裝相同水平的互連特征縮減。
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3. 玻璃基中間層：

優(yōu)勢：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。

3D封裝技術(shù)
6 {3 x1 x0 V8 i. f3 u* ^; Y. x3D封裝技術(shù)專注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：
1. 微凸點技術(shù)：

基于熱壓焊接（TCB）工藝。

技術(shù)成熟，應用于多種產(chǎn)品。

持續(xù)努力縮小凸點間距。

挑戰(zhàn)：較小焊球中金屬間化合物（IMCs）形成增加，潛在的焊球橋接問題，與銅相比電阻率較高。

) b3 S, q- O4 y) H/ R+ W2. 混合鍵合：

通過結(jié)合介電材料（SiO2）和嵌入金屬（Cu）創(chuàng)建永久互連。

實現(xiàn)低于10微米（通常為個位數(shù)μm）的間距。

優(yōu)勢：擴展I/O，增加帶寬，增強3D垂直堆疊，提高功率效率，減少寄生效應和熱阻。

挑戰(zhàn)：制造復雜性和較高成本。

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應用和市場影響
8 ?+ T, H- P# u: Z! V) L% j- N先進半導體封裝技術(shù)在多個關(guān)鍵市場中找到應用：
1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：
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推動對高性能計算解決方案的需求。

需要能夠處理增加的功率和性能需求的封裝技術(shù)。

2. 5G網(wǎng)絡：

先進封裝對5G無線電和網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施至關(guān)重要。

實現(xiàn)更高頻率和增加帶寬。

3. 自動駕駛汽車：

需要先進封裝用于傳感器、處理器和通信系統(tǒng)。

強調(diào)在惡劣環(huán)境中的可靠性和性能。
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& q6 M* N3 D7 s! Z- W4 ?3 W4. 消費電子：
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智能手機、平板電腦、智能手表和AR/VR設備受益于更小的尺寸和更高的性能。

先進封裝實現(xiàn)在緊湊設計中集成多種功能。
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. O6 Z4 N9 u1 G/ h! w' h# S未來展望
" U4 ?& K8 }: l& G% B- `( @* t先進半導體封裝行業(yè)將迎來顯著增長和創(chuàng)新。需要關(guān)注的主要趨勢包括：
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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的設計和異構(gòu)集成。

玻璃基中間層技術(shù)的成熟和潛在的廣泛采用。

制造工藝的進步，以降低成本和提高良率。

隨著對更強大、更高效電子設備需求的持續(xù)增長，先進半導體封裝將在實現(xiàn)下一代技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。從人工智能和5G到自動駕駛汽車及更多領(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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參考文獻
$ R5 U+ N' Y9 p! a5 v- S[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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