IDTechEx | 先进半导体封装技术

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引言
半导体行业不断发展，推动技术边界，以满足对更快、更高效、更强大电子设备的持续增长需求。这一领域的关键创新之一是先进半导体封装。本文簡介2.5D和3D封装技术的发展、优势和挑战，以及在各种应用中的影响[1]。
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/ R" E( E% ~; F2 \) W! j) R3 j半导体封装的演变
半导体封装技术已从最初的1D PCB水平发展到今天的晶圆级3D混合键合封装。这一进步实现了单位数微米的互连间距，能够以高能效达到超过1000 GB/s的带宽。
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四个关键参数塑造了先进半导体封装的发展：

功率：通过创新封装技术提高功率效率。

性能：通过缩短互连间距增加输入/输出（I/O）点数，提高带宽并减少通信长度。

面积：高性能计算芯片需要更大的封装面积，而3D集成则需要更小的z轴尺寸。

成本：通过使用替代的更经济材料或提高制造设备效率，持续降低封装成本。
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2.5D封装技术
2.5D封装技术涉及使用中间层连接多个芯片。根据中间层材料的选择，2.5D封装分为三种主要类型：
2 k" {) }, u* f6 p. S7 H1. 硅基中间层：
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两种选择：硅中间层（全被动硅晶圆）和硅桥（扇出式模塑化合物中的局部硅桥或带腔基板）。

优势：最精细的布线特征，适用于高性能计算集成。

挑战：材料和制造成本较高，封装面积限制。

未来趋势：增加使用局部硅桥以解决面积限制和成本问题。


: ]) q/ {3 |9 x* W2. 有机基中间层：
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使用扇出式模塑化合物而非有机基板。

优势：介电常数低于硅（较低的RC延迟），更具成本效益。

挑战：难以达到与硅基封装相同水平的互连特征缩减。

3. 玻璃基中间层：

优势：可调热膨胀系数（CTE），高尺寸稳定性，光滑平整的表面。

布线特征有潜力与硅媲美。

挑战：生态系统不成熟，目前缺乏大规模量产能力。
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5 S) q/ U6 C) y3 Q3 r! C6 B9 g3D封装技术
3D封装技术专注于芯片的垂直堆叠，主要有两种方法：
1. 微凸点技术：
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基于热压焊接（TCB）工艺。

技术成熟，应用于多种产品。

持续努力缩小凸点间距。

挑战：较小焊球中金属间化合物（IMCs）形成增加，潜在的焊球桥接问题，与铜相比电阻率较高。

4 K9 q+ \, S! h( L! o, _* V2. 混合键合：

通过结合介电材料（SiO2）和嵌入金属（Cu）创建永久互连。

实现低于10微米（通常为个位数μm）的间距。

优势：扩展I/O，增加带宽，增强3D垂直堆叠，提高功率效率，减少寄生效应和热阻。

挑战：制造复杂性和较高成本。
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应用和市场影响
先进半导体封装技术在多个关键市场中找到应用：
1. 人工智能和数据中心：

推动对高性能计算解决方案的需求。

需要能够处理增加的功率和性能需求的封装技术。
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' H; m: Q# D- ~, o' f2. 5G网络：

先进封装对5G无线电和网络基础设施至关重要。

实现更高频率和增加带宽。

3. 自动驾驶汽车：

需要先进封装用于传感器、处理器和通信系统。

强调在恶劣环境中的可靠性和性能。
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4. 消费电子：

智能手机、平板电脑、智能手表和AR/VR设备受益于更小的尺寸和更高的性能。

先进封装实现在紧凑设计中集成多种功能。
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4 [  K& d" j( u4 L) F6 {" p5 A1 h/ U8 V未来展望
# w. U5 u0 M. j/ N* J3 B2 c先进半导体封装行业将迎来显著增长和创新。需要关注的主要趋势包括：

互连间距持续缩小，特别是混合键合技术。

开发新材料和工艺以解决热管理和功率效率挑战。

增加采用基于chiplet的设计和异构集成。

玻璃基中间层技术的成熟和潜在的广泛采用。

制造工艺的进步，以降低成本和提高良率。

随着对更强大、更高效电子设备需求的持续增长，先进半导体封装将在实现下一代技术方面发挥关键作用。从人工智能和5G到自动驾驶汽车及更多领域，这些封装创新将成为日益互联和智能世界的核心。
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参考文献
9 o3 l: [: f+ }" g+ Y[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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