未来10年先进半导体封装的演进路线
半导体封装领域，为了实现超越摩尔定律（More Than Moore）模式，2.5D和3D封装已成为增长最快的先进封装技术之一。 事实上，能与2.5D和3D封装同日而语的技术还包括：异构集成、扇出型、FOWLP、FOPLP、硅通孔、玻璃封装、封装天线、共封装光学器件、RDL等等。这些技术正在为人工智能、高性能计算（HPC）、数据中心、自动驾驶汽车、5G和消费电子等领域带来更大的性能提升。 不过，寸有所长尺有所短，我们来看看行业专家对2.5D和3D先进封装及相关技术的一些观点。 半导体封装的演进 最早的半导体封装是1D PCB级别，现在已发展到晶圆级别的先进3D混合键合，实现了个位数微米的互连间距和1000GB/s带宽的高能效指标。 引领这一演变的四个关键参数有四个：一是功率，实现效率的优化；二是性能，提高带宽，缩短通信长度；三是面积，满足HPC芯片所需的要求，以3D集成实现更小尺寸；四是成本，通过不断减少替代材料，提高制造效率。 2.5D和3D封装技术融入了各种封装工艺。在2.5D封装中，根据中介层材料的不同，分为硅基、有机基和玻璃基中介层；而在3D封装中，微泵技术的发展进一步实现了更小的间距尺寸。另外，通过采用混合键合技术（如直接连接Cu-Cu）可实现个位数的间距尺寸，标志着该领域的一次重大进步。 半导体封装的演进 2.5D封装的三个关键 事实上，不管是哪种先进封装，都会有其自身的优缺点。2.5D封装主要有硅、有机和新近出现的玻璃等材质。在硅基板上，可以将芯片与中介层连接，中介层与芯片之间利用硅通孔连接；有机封装则利用有机基板作为基材，具有成本低、可弯曲等特点。另外，耐高温、透光性好的玻璃基板也可用作封装基材。 IDTechEx的Yu-Han Chang博士和James Jeffs博士认为，硅中介层利用全无源硅晶圆，在基于扇出的模塑化合物或具有空腔的衬底中采用局部硅桥形式，通常用于HPC集成的2.5D封装，以满足最精细的路由功能。但与有机材料等替代品相比，硅在材料和制造方面面临着成本的挑战及封装面积的限制。 为了解决这一问题，局部硅桥的形式日渐增加，只在精细功能至关重要的地方战略性地使用硅。“预计硅桥结构将得到更多使用，特别是在硅中介层面临面积限制的情况下。”他们表示。 有机材料具有低于硅的介电常数，有助于降低封装中的RC（阻容）延迟，是硅更具成本效益的替代品。这些优势推动了基于有机物的2.5D封装。 不过，有机物的一个主要缺点是，与硅基封装相比，其相同水平互连功能的减少限制了其在HPC应用中的采用。在成本方面，有机RDL（再分配层）适用于成本敏感的产品，板级封装将进一步利用成本效益，而玻璃封装有望成为硅的廉价替代品。 2.5D封装技术发展趋势 要进一步提高半导体封装的性能，需要综合考虑多个方面： 一是介电材料：作为半导体封装中的重要组成部分，其性能直接影响封装的电气性能和可靠性。选择具有高绝缘性、低介电常数和介质损耗的介电材料有助于提高封装性能。 二是RDL：RDL是半导体封装中的一种关键技术，可以将芯片引脚重新分布，以适应封装的需求。通过优化RDL层的厚度、材料和工艺，可以提高封装的电气性能和可靠性。 L/S（线宽和线间距）：L/S是半导体封装中描述互连特征的参数。减小L/S可以增加互连密度，提高封装性能。不过，过小的L/S可能导致制造难度和可靠性问题，因此需要在两者之间进行权衡。 凸点尺寸：凸点是芯片与封装基板之间的连接点。减小凸点尺寸可以提高封装的电气性能和可靠性，同时也需要保证凸点的强度和连接的稳定性。 芯片尺寸和形状：减小芯片尺寸可以提高封装密度，但也需要考虑芯片的散热性能和电气性能；而采用复杂形状的芯片可能增加封装的复杂性和难度。 封装类型：选择合适的封装类型也是提高半导体封装性能的关键。例如，2.5D和3D封装技术可以提高芯片性能、降低功耗、缩小体积和降低成本。 制造工艺：优化制造工艺可以提高封装的可靠性和稳定性。例如，采用先进的材料、设备和工艺可以减小缺陷和不良率，提高生产效率。 3D封装的两大技术 对于3D封装，Yu-Han Chang博士和James Jeffs博士认为，第一个重要技术是微泵。此前，基于热压键合（TCB）工艺的微泵技术已经比较成熟，在各种产品中都一直在用。其技术路线在于不断扩大凸点间距。不过，这个过程中有一个关键挑战，因为较小的焊球尺寸会导致金属间化合物（IMC）形成增加，降低导电性和机械性能。 此外，紧密的触点间隙还可能导致焊球桥接，在回流期间存在芯片故障风险。由于焊料和IMC的电阻率比铜高，在高性能组件封装中的应用面临限制。 第二个重要技术是混合键合，包括通过将介电材料（SiO2）与嵌入金属（Cu）结合以创建永久互连。Cu-Cu混合键合的间距低于10μm（通常约为1µm左右），其优点包括扩展I/O、增加带宽、增强3D垂直堆叠、提高功率效率，由于没有底部填充也可以减少寄生和热阻。其挑战在于，这种先进技术的制造复杂性和更高的成本。 凸点制造技术的发展 Cu-Cu混合键合是一种无凸点键合方法，它利用铜金属之间的直接键合，不需要使用凸点或其他中介层。在Cu-Cu混合键合中，铜金属之间的直接键合是通过表面处理和热压键合技术实现的。 与传统的凸点键合方法相比，Cu-Cu混合键合不需要制造凸点，因此可以简化制造工艺，降低成本并提高封装密度，还可以提供更稳定的电气连接和更好的热传导性能。 例如，三星手机用的Cu-Cu混合键合背照式CMOS图像传感器采用内存+逻辑3D堆叠，实现了堆叠DRAM裸片的高带宽存储器（HBM）。其好处是更大的I/O和更大的带宽、更多3D垂直堆叠、高功率效率、无填充不足减少了寄生，以及降低了热阻。当然，这种方法有一定制造难度，成本也比较高。 不同封装技术的最小凸点间距 先进半导体封装技术趋势谁来驱动？ 与单片IC相比，先进半导体封装有助于加快产品上市并降低成本。先进互连技术则可以提供低功耗、低延迟和高带宽连接，同时使集成电路良率更高，系统性能更好，还可以在同一封装中异构集成不同的硅IC或组件。 HPC芯片集成是推进先进封装的一大动力。处理器-内存差需要提高内存带宽来弥合，2.5D封装的HBM可以做到这一点。新兴的Al训练HPC也需要更多带宽，在逻辑上3D堆叠SRAM可进一步提升带宽，堆叠也能继续缩小3D键合间距，满足更高的带宽要求。 HPC芯片集成趋势 由于HPC先进封装的互连长度很短，将存储器3D堆叠在逻辑之上或反之亦然，这被认为是实现超高带宽的最佳方法。不过，其局限性包括逻辑IC中用于功率和信号的大量硅通孔（TSV）需要大量占位面积，管理逻辑IC存在高散热问题。 针对这些问题，发展路径有两条：一是利用TSV实现3D堆叠，主要用于存储器，使逻辑IC的I/O数量减少；二是开发2.5D封装技术，以有效耗散来自暴露的逻辑IC的热量。这些短期解决方案可在充分实现3D堆叠的潜力之前实现同构和异构集成。 另一大动力是数据中心服务器加速器，包括GPU小芯片封装（如GPU+GPU、GPU+Cache）、GPU+HBM集成（GPU+HBM）、FPGA小芯片集成等。2022年，相关封装单元的出货量为1920万个，根据预测，到2034年将超过2022年七倍以上。 数据中心服务器加速器封装单元出货量走势 先进封装的未来挑战 未来，先进封装的挑战主要来自一些新技术，如玻璃封装。2023年9月，英特尔公布了其基于玻璃的测试载具封装，引起了人们极大的兴趣。玻璃基板具有耐高温、透光性好等特点，包括可调的热膨胀系数（CTE）、高尺寸稳定性和光滑平坦的表面，这些特性使其成为一种很有前途的中介层候选者，其布线特性有可能与硅媲美。 不过，尽管大量研究显示了玻璃封装的好处，但用它作为封装基板的规模仍然很小。制造问题已无法回避，玻璃的一个关键优势是其光滑平坦的表面，可以更容易地在顶部沉积高密度RDL层。 不过，几家公司都提到，他们采购的玻璃基板的平整度无法与硅晶圆相比。当在顶部沉积RDL层时，平整度是巨大的挑战。还有标准化问题，涉及材料、工艺、设备、测试和可靠性等。只有建立一套标准化的体系，才能确保产品的质量和可靠性。 又如CPO（共封装光学）技术，它是一种将光模块和电芯片封装在一起的技术，具有低功耗、高带宽的特点。其最大的挑战是成本，除了光学元件成本和研发成本，还包括BOM（物料清单）成本、装配吞吐量成本和良率优化成本。 其中最关键的是随着带宽需求的不断增长，光纤和插座的成本越来越高。解决方案是开发生态系统，优化光学元件设计；加强产业链合作，优化生产流程，提高光纤制造的吞吐量和产量，降低生产成本。当然，对于玻璃封装技术，这方面也同样不容忽视。
