IDTechEx | 先進半導體封裝技術

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引言
& ?4 z2 h. x; s0 Q半導體行業(yè)不斷發(fā)展，推動技術邊界，以滿足對更快、更高效、更強大電子設備的持續(xù)增長需求。這一領域的關鍵創(chuàng)新之一是先進半導體封裝。本文簡介2.5D和3D封裝技術的發(fā)展、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及在各種應用中的影響[1]。
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半導體封裝的演變
& z/ K- b6 f4 L5 L" ~半導體封裝技術已從最初的1D PCB水平發(fā)展到今天的晶圓級3D混合鍵合封裝。這一進步實現(xiàn)了單位數(shù)微米的互連間距，能夠以高能效達到超過1000 GB/s的帶寬。

四個關鍵參數(shù)塑造了先進半導體封裝的發(fā)展：

功率：通過創(chuàng)新封裝技術提高功率效率。

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)濟材料或提高制造設備效率，持續(xù)降低封裝成本。
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; }1 w1 t( P5 U: D2.5D封裝技術
, T9 p( T8 Y' k" s$ U3 V8 f2.5D封裝技術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：
$ O$ d" O9 U3 Z2 }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. 有機基中間層：
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使用扇出式模塑化合物而非有機基板。

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。

5 n  F6 Z% ~8 u+ o3 g2 ^! I3D封裝技術
3D封裝技術專注于芯片的垂直堆疊，主要有兩種方法：
. ^" V2 F* l4 x0 o& C* x1. 微凸點技術：

基于熱壓焊接（TCB）工藝。

技術成熟，應用于多種產(chǎn)品。

持續(xù)努力縮小凸點間距。

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。
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0 ^- a( i( S! Z; ^2. 混合鍵合：
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通過結合介電材料（SiO2）和嵌入金屬（Cu）創(chuàng)建永久互連。

實現(xiàn)低于10微米（通常為個位數(shù)μm）的間距。

優(yōu)勢：擴展I/O，增加帶寬，增強3D垂直堆疊，提高功率效率，減少寄生效應和熱阻。

挑戰(zhàn)：制造復雜性和較高成本。
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應用和市場影響
先進半導體封裝技術在多個關鍵市場中找到應用：
! U4 C+ |  L6 |. d! y1. 人工智能和數(shù)據(jù)中心：
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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。

2. 5G網(wǎng)絡：
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先進封裝對5G無線電和網(wǎng)絡基礎設施至關重要。

實現(xiàn)更高頻率和增加帶寬。
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3. 自動駕駛汽車：

需要先進封裝用于傳感器、處理器和通信系統(tǒng)。

強調(diào)在惡劣環(huán)境中的可靠性和性能。

' J0 s0 ]+ d6 [4. 消費電子：

智能手機、平板電腦、智能手表和AR/VR設備受益于更小的尺寸和更高的性能。

先進封裝實現(xiàn)在緊湊設計中集成多種功能。
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未來展望
先進半導體封裝行業(yè)將迎來顯著增長和創(chuàng)新。需要關注的主要趨勢包括：
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互連間距持續(xù)縮小，特別是混合鍵合技術。

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的設計和異構集成。

玻璃基中間層技術的成熟和潛在的廣泛采用。

制造工藝的進步，以降低成本和提高良率。
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% s0 i( n3 S1 n9 H+ L隨著對更強大、更高效電子設備需求的持續(xù)增長，先進半導體封裝將在實現(xiàn)下一代技術方面發(fā)揮關鍵作用。從人工智能和5G到自動駕駛汽車及更多領域，這些封裝創(chuàng)新將成為日益互聯(lián)和智能世界的核心。

. M% g: ], |4 R9 I參考文獻
[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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