IDTechEx | 先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
0 N" ^: W& L, r+ y半導(dǎo)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(qiáng)大電子設(shè)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(jìn)半導(dǎo)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(yīng)用中的影響[1]。

! }; H: A7 c7 X$ Y5 R# l半導(dǎo)體封裝的演變
4 j% c0 l6 ?+ o! D$ l7 F/ z2 t5 W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1000 GB/s的帶寬。

四個關(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(diǎn)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(jì)材料或提高制造設(shè)備效率，持續(xù)降低封裝成本。
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) d# b' l3 j' e6 M0 i; ?2.5D封裝技術(shù)
. I$ ?1 C6 f! o& o" H/ z( x  a2.5D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：
1. 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(xì)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(jī)基中間層：

使用扇出式模塑化合物而非有機(jī)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(dá)到與硅基封裝相同水平的互連特征縮減。

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)
3D封裝技術(shù)專注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：
+ M: i/ u- o+ u& S" z3 g1. 微凸點(diǎn)技術(shù)：
- D- Y, g5 V& o. O- V$ G, X

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，潛在的焊球橋接問題，與銅相比電阻率較高。

2. 混合鍵合：
2 V) I- H% U( v6 g

通過結(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（通常為個位數(shù)μm）的間距。

優(yōu)勢：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)用和市場影響
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)在多個關(guān)鍵市場中找到應(yīng)用：
" z5 B, k  \# ?% n" u1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：
* y, P! _- p3 J4 j& O

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)。

3 z& v0 Q3 T+ ^: }$ m2. 5G網(wǎng)絡(luò)：

先進(jìn)封裝對5G無線電和網(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。

" z9 h0 k  M% ?/ f8 k( [, U0 |1 a3. 自動駕駛汽車：
" S5 [  Y0 t. m7 I; W5 M# M

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。
5 j' q( F( p  |5 H
, @7 F% j; ~) D& p' P) C: y, z4. 消費(fèi)電子：
1 k* X  I6 z0 f- _) m' f& e

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)計中集成多種功能。

. z. @  s; @4 n: u. a未來展望
3 Y" l! X) B* R& V! k先進(jìn)半導(dǎo)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：

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(shè)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(jìn)步，以降低成本和提高良率。
- T3 Q! t9 C7 m5 p6 I9 b- ~
# q( L- y$ g5 Z8 k, g5 @3 m5 P; n隨著對更強(qiáng)大、更高效電子設(shè)備需求的持續(xù)增長，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(xiàn)
' _% d# |! o* C7 L% T[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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+ X0 _# v$ P( _- e* @8 y) L' R' M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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(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)。

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