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引言- P2 Y- E9 U# A) \4 G0 L( c! ?6 w% ^
半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展，推動(dòng)技術(shù)邊界，以滿足對(duì)更快、更高效、更強(qiáng)大電子設(shè)備的持續(xù)增長(zhǎng)需求。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是先進(jìn)半導(dǎo)體封裝。本文簡(jiǎn)介2.5D和3D封裝技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，以及在各種應(yīng)用中的影響[1]。/ S1 _9 [7 c* z' L0 _6 A
: y/ N* i7 b* y- K半導(dǎo)體封裝的演變! `2 K% i1 P) W; B) K- K$ o
半導(dǎo)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(jí)3D混合鍵合封裝。這一進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了單位數(shù)微米的互連間距，能夠以高能效達(dá)到超過(guò)1000 GB/s的帶寬。
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- U/ b+ o6 c/ |- {四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)塑造了先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的發(fā)展：功率：通過(guò)創(chuàng)新封裝技術(shù)提高功率效率。性能：通過(guò)縮短互連間距增加輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)，提高帶寬并減少通信長(zhǎng)度。面積：高性能計(jì)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(guò)使用替代的更經(jīng)濟(jì)材料或提高制造設(shè)備效率，持續(xù)降低封裝成本。, d4 o) Y1 |- F; |1 \# z; V
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2.5D封裝技術(shù)2 K8 a% @' }1 J+ k
2.5D封裝技術(shù)涉及使用中間層連接多個(gè)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：' A0 f$ ]) Q! r* L0 ?6 V( b
1. 硅基中間層：
, z/ H+ }! s6 S* Y兩種選擇：硅中間層（全被動(dòng)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(shì)：最精細(xì)的布線特征，適用于高性能計(jì)算集成。挑戰(zhàn)：材料和制造成本較高，封裝面積限制。未來(lái)趨勢(shì)：增加使用局部硅橋以解決面積限制和成本問(wèn)題。, Z9 g+ I J% W- f
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9 ]9 A6 p" Z( ^) F3 c; G2. 有機(jī)基中間層：
9 [9 m* Q% L) c0 _( t使用扇出式模塑化合物而非有機(jī)基板。優(yōu)勢(shì)：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(dá)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：& l! l- S# i* S- h4 Z
優(yōu)勢(shì)：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。. o. g9 d$ B [" q
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3D封裝技術(shù)8 q2 U; V' ~: I% ?: J4 R, ~
3D封裝技術(shù)專注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：# j! d# Y* o2 V/ x: G; W* b
1. 微凸點(diǎn)技術(shù)：3 z9 u- n* C. R/ C
基于熱壓焊接（TCB）工藝。技術(shù)成熟，應(yīng)用于多種產(chǎn)品。持續(xù)努力縮小凸點(diǎn)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(wèn)題，與銅相比電阻率較高。1 \. ]) x, s3 A
, a1 C( c7 ]& K& d) s6 x2. 混合鍵合：
[1 L7 A( S) g1 e" |2 @通過(guò)結(jié)合介電材料（SiO2）和嵌入金屬（Cu）創(chuàng)建永久互連。實(shí)現(xiàn)低于10微米（通常為個(gè)位數(shù)μm）的間距。優(yōu)勢(shì)：擴(kuò)展I/O，增加帶寬，增強(qiáng)3D垂直堆疊，提高功率效率，減少寄生效應(yīng)和熱阻。挑戰(zhàn)：制造復(fù)雜性和較高成本。
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應(yīng)用和市場(chǎng)影響% S6 C( f! M2 w- A5 ~% g
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)在多個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)中找到應(yīng)用：: Z, I& g) C/ d" L9 ]
1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：' ^) f( }- X' ~1 {
推動(dòng)對(duì)高性能計(jì)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)。
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2 I4 W. _# u* i$ n' l% z$ U2. 5G網(wǎng)絡(luò)：. y# ^3 h, ?( Z, P$ V, b
先進(jìn)封裝對(duì)5G無(wú)線電和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)更高頻率和增加帶寬。! k# A9 e8 L0 {, H3 a6 A
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3. 自動(dòng)駕駛汽車：; L4 _5 h/ ^9 u- p9 ~
需要先進(jìn)封裝用于傳感器、處理器和通信系統(tǒng)。強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境中的可靠性和性能。
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* H u4 L' r z4. 消費(fèi)電子：
! R$ w7 V) Y" q4 H# [) A智能手機(jī)、平板電腦、智能手表和AR/VR設(shè)備受益于更小的尺寸和更高的性能。先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)在緊湊設(shè)計(jì)中集成多種功能。
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未來(lái)展望7 p- `4 r. X) v* k3 t: |
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝行業(yè)將迎來(lái)顯著增長(zhǎng)和創(chuàng)新。需要關(guān)注的主要趨勢(shì)包括：
9 J6 Z2 D" D7 W6 x互連間距持續(xù)縮小，特別是混合鍵合技術(shù)。開(kāi)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(shè)計(jì)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(jìn)步，以降低成本和提高良率。
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2 P' u/ \6 k9 ?4 F! f7 S隨著對(duì)更強(qiáng)大、更高效電子設(shè)備需求的持續(xù)增長(zhǎng)，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝將在實(shí)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(dòng)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。* d" S7 z, s& l, J# R3 s
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參考文獻(xiàn)) A7 a/ z0 z. m" A& ^& K0 ]
[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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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(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)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)。, `0 k) y% c$ M! L% R# q
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