先进半导体封装的趋势与技术

逍遥设计自动化

引言
半导体行业正在快速发展，主要由多个应用领域对更高性能、更低功耗和小型化的需求驱动。先进封装技术在满足这些需求方面发挥着关键作用，通过实现多样化组件的异构集成。本文以参考文献为基础概述了先进半导体封装的主要趋势和技术[1]，非最新的信息，但可以见到技术的连续演进，当年的预测依然正确。
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驱动因素和应用
) h! d. F" M& e7 l/ G0 ^. Z推动半导体行业增长的几个主要应用包括：

移动设备

高性能计算

自动驾驶汽车

物联网（IoT）

大数据和云计算

边缘计算

$ J; `& L) m$ q( f; Y" L! ?这些应用由人工智能和5G通信等系统技术驱动因素推动。为支持这些应用，先进封装技术必须提供：

更高密度的集成

改善电气和热性能

降低成本

加快上市时间

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/ O. U7 N) L: V% E; J* `; i

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9 @. n7 o/ m  k4 |# b图1：各种先进封装技术的性能和密度比较
9 B. c; H1 F4 U' i- E1 ]
) `% R) m" V/ J  v; q4 \8 u5 o主要先进封装技术
1. 扇出型晶圆级封装（FOWLP）
9 l& h, W- Q- h# {$ _) iFOWLP通过将芯片嵌入模塑料中并形成重布线层（RDL）来扩展传统的晶圆级封装，从而扇出连接。这允许在更小的形状因子中实现更高的I/O密度。
& v9 Q4 d0 w/ C' b/ H, P0 L

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图2：采用芯片优先、面朝下方法的扇出型晶圆级封装横截面

2. 使用中介层的2.5D集成
4 A8 k. i( k9 R* _2.5D集成使用带有硅通孔（TSV）的硅中介层来连接多个并排的芯片。这实现了高带宽的芯片间连接。

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图3：台积电的局部硅互连（LSI）技术，用于2.5D集成
. W+ f" F; O; f+ q7 u3 h
3. 使用TSV的3D集成
, B! M/ j4 v5 P  G/ Y1 B( M& [3D集成使用TSV垂直堆叠多个芯片进行芯片间连接。这提供了最高的集成密度，但面临热管理和良率方面的挑战。
- o) s+ }2 G$ ?4 I* ^
4. Chiplet架构
Chiplet涉及将大型系统级芯片（SoC）设计分割成更小的芯片，然后使用先进封装进行集成。这改善了良率并允许混合使用不同的制程节点。
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图4：AMD和英特尔基于Chiplet的处理器示例
; I0 v9 p4 C2 C& x" R
+ N" t* `: h4 L" c( |+ R) r5. 混合键合
0 M: u8 x; }% [" k" G混合键合实现了芯片之间在非常精细间距下直接铜对铜键合，无需使用微凸点。这为芯片到芯片的集成提供了最高的互连密度。
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: P5 }& ~* J4 G' o2 Z图5：微凸点键合和混合键合方法的比较
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关键封装工艺
几种关键工艺技术促进了先进封装：
, \2 C- Q5 R7 a& {1. 晶圆凸点制作
8 `- z/ N8 |+ v( Y1 G晶圆凸点制作在芯片切割之前在晶圆上形成互连结构。常见的凸点类型包括：

焊料凸点（C4）

带焊料帽的铜柱（C2）
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4 j9 |6 s# @$ ~, g- T图6：C4和C2晶圆凸点制作的工艺流程
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3 ^: M. q4 h, V# |( a/ E  x2. 芯片贴装和互连
% U/ h7 v/ G1 e+ N将芯片连接到基板或其他芯片的方法包括：
+ G6 S8 y" W/ K' t8 E  ?! o

焊料凸点的回流

热压键合（TCB）

混合键合

1 J9 I% d, H! M0 A% p8 Y& S5 P7 E4 ]3. 底填
底填材料被注入以填充芯片和基板之间的间隙，保护互连。

. Z  H8 U; \* b5 k" C. z- U4. 重布线层（RDL）形成
  d# G- r4 r* q$ HRDL在芯片表面重新布线连接。主要RDL工艺包括：

光刻

电镀

蚀刻

+ J: C% Q6 A8 Z3 u  F8 m5. 模塑
模塑料封装芯片和互连以提供保护。方法包括：

传递模塑

压缩模塑

6 h5 i. b. {# K0 w( H7 k先进封装趋势
( [! R8 Y6 g& t1 k1. 更精细的互连间距
+ p( ^  ]1 W7 Z5 D$ r: v4 Y互连间距持续缩小以实现更高密度的集成：
0 n* t! l, j; i  o3 A9 a0 Z6 V翻转芯片凸点间距：最小50μm
& t% B* e* d/ x4 h微凸点间距：最小20μm
& i" |" |1 C! f6 P. h3 w8 W混合键合间距：
, q* h' C- O2 v8 t: M: I
2. 面板级封装
从晶圆级到面板级处理的转变实现了更大的制造规模和更低的成本。
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6 p8 L) C. }/ a& d+ q. o3. 先进基板
具有精细线/空间和嵌入式元件的有机基板正在实现更高密度的封装。
7 ~/ g& ?/ R' x, Y
$ B1 B) y, p# z9 l6 r! }; S4. Chiplet集成
/ ~4 ^1 E- V! @3 T# v7 o作为单片SoC的替代方案，Chiplet的异构集成正在增长。

2 a- H8 _# [  o# \# C" d' m5 _- d1 C3 D5. 光电共封装 （Co-Packaged Optics)
在封装中集成光学元件正在实现更高带宽的互连。

6. 先进热管理
正在开发微流体等新型冷却解决方案来解决热挑战。
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+ X2 c0 A  ~/ k# c0 B
0 M: y9 M7 W/ x  e8 Q可靠性考虑
2 _' K* D  p8 h随着封装变得更加复杂，确保可靠性变得重要。主要可靠性问题包括：
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互连的热循环疲劳

跌落冲击抵抗

湿敏性

电迁移

应力引起的翘曲

! d. f! b. ]% _3 j% h) h) y# C需要先进的建模和测试方法来预测和改善封装可靠性。

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图7：与单片设计相比，Chiplet方法对芯片良率的影响

/ ^5 }, f3 t0 i: f+ R材料开发
; C, g) |/ z5 U, V新材料对实现先进封装很重要，包括：

用于高频应用的低损耗介电材料

低热膨胀系数模塑料

精细间距底填材料

低温焊料

用于RDL的光敏介电材料
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1 A1 n- B# R" _* O, p2 j
9 A  ]5 `- k- P: r! S( n

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7 R) T% f) _4 l0 a图8：封装材料介电损耗（Df）的路线图

- B$ H( t9 X) w( q

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7 r- s" W  v& I0 I图9：封装材料介电常数（Dk）的路线图
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6 L0 w, h+ e& m: z* A$ ?未来展望
" F* P4 |' j! I8 k" \先进封装将继续在推动半导体创新方面发挥关键作用。需要关注的关键领域包括：
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晶圆级、面板级和PCB技术的融合

Chiplet和芯片分解的增加采用

超越焊料和铜的新型互连技术

芯片和封装的协同设计

石墨烯等新材料的集成

嵌入式冷却解决方案

用于封装设计和优化的人工智能

* v  h" l' j; C& W) B4 {: C随着封装变得更加复杂并对整体系统性能更加重要，芯片设计师、封装设计师和材料供应商之间的更密切合作将变得不可或缺。
) e+ |9 c% ]0 z* _4 o; P
0 ?$ j# D8 S* p6 p4 Y+ J
2 w: d- ]6 m2 b. t- S结论
先进封装正在快速发展以满足下一代电子系统的需求。扇出型封装、2.5D和3D集成以及Chiplet等技术正在实现前所未有的异构集成水平。在材料、工艺和架构方面持续创新对于克服挑战和实现先进封装在未来应用中的全部潜力将非常重要。


参考文献
J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.

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