半导体行业先进封装技术概述

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-8-29 08:17:00

引言
半导体行业正在快速发展，对更强大、高效和紧凑的电子设备的需求不断增长。先进封装技术在满足这些需求方面发挥着重要作用，它能够实现更高的性能、改进的功能和更小的尺寸。本文概述了各种先进封装技术、其应用及其发展的驱动力。
半导体应用和系统技术驱动因素半导体行业已确定五大增长引擎或应用：1.移动设备（智能手机、笔记本电脑、智能手表、可穿戴设备、平板电脑）
2.高性能计算（HPC）
3.自动驾驶汽车
4.物联网（IoT）
5.大数据（云计算）和即时数据（边缘计算）
这些应用主要由两个关键系统技术驱动因素推动：1.人工智能（AI）
2.5G技术
AI需要高性能计算基础设施，如数据中心和超级计算机。AI应用所需的硬件组件包括CPU、GPU、FPGA、内存、服务器和交换机。

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5G技术分为两大类：1.中频段（Sub-6 GHz 5G）：900 MHz
2.高频段（5G毫米波）：24 GHz ≤ 频率 ≤ 100 GHz， 1 Gbps

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先进封装技术为满足这些应用和驱动因素的要求，开发了各种先进封装技术。这些可以大致分为几个类别：1. 2D集成：- 2D扇出（芯片先行）IC集成- 2D倒装芯片IC集成- 封装叠加（PoP）- 系统级封装（SiP）或异构集成- 2D扇出（芯片后置）IC集成
2. 2.1D集成：- 2.1D倒装芯片IC集成- 带桥接的2.1D倒装芯片IC集成- 带桥接的2.1D扇出IC集成
3. 2.3D集成：- 2.3D扇出（芯片先行）IC集成- 2.3D倒装芯片IC集成- 2.3D扇出（芯片后置）IC集成
4. 2.5D集成：- 2.5D（C4焊球）IC集成- 2.5D（C2微凸点）IC集成
5. 3D集成：- 微凸点3D IC集成- 微凸点Chiplet 3D IC集成- 无凸点3D IC集成- 无凸点Chiplet 3D IC集成

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让我们更详细地探讨一些这些先进封装技术：
7 x* _7 F3 b9 p/ n) P2D扇出（芯片先行）IC集成：这种技术涉及将多个芯片嵌入环氧模塑料（emc）中，然后扇出重分布层（RDL）以连接到焊球。这种方法允许更高的集成密度和改进的电气性能。

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2D倒装芯片IC集成：在这种技术中，芯片被翻转并使用C4（受控塌陷芯片连接）凸点或C2（芯片连接）凸点附着到构建封装基板上。通常在芯片和封装基板之间使用底填以提高可靠性。

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封装叠加（PoP）和系统级封装（SiP）：PoP技术涉及将多个封装堆叠在一起，通常结合逻辑和存储组件。SiP技术将多个芯片和分立组件集成到单个封装基板中。

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2.1D倒装芯片IC集成：这种技术在构建封装基板顶部具有薄膜层。这些薄膜层的金属线宽和间距可以小到2/2 μm，支持带有微凸点的倒装芯片。

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带桥接的2.1D倒装芯片IC集成：这种技术，以英特尔的EMIB（嵌入式多芯片互连桥）为例，在构建封装基板的顶层嵌入一个桥，以支持倒装芯片之间的横向通信。旨在替代TSV（硅通孔）中间层技术。

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2.3D扇出（芯片先行）IC集成：这种技术用扇出RDL中间层替代了TSV中间层、微凸点和底填。与传统的2D扇出技术相比，它提供了改进的性能和集成密度。

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2.5D（C2凸点）IC集成：在这种技术中，诸如GPU和高带宽存储器（HBM）等组件使用C2微凸点附着到无源TSV中间层上。然后整个模块使用C4凸点连接到封装基板。

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微凸点3D IC集成：这种技术涉及垂直堆叠多个芯片并使用微凸点和TSV连接它们。顶部芯片使用微凸点连接到底部芯片（带有TSV），整个模块使用C4凸点附着到封装基板上。

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无凸点3D IC集成：无凸点3D IC集成，也称为混合键合，可实现芯片之间更细的间距连接。这种技术可以实现小至10 μm的焊盘间距，与微凸点技术相比显着提高了互连密度。

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无凸点Chiplet 3D IC集成：这种新兴技术，如台积电的SoIC（集成芯片系统），涉及通过芯片到晶圆（CoW）或晶圆到晶圆（WoW）工艺进行无凸点混合键合Chiplet。它承诺更高的集成密度和性能。

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组装工艺先进封装技术中使用了几种组装工艺：1.线键合
2.表面贴装技术（smt）
3.有机基板上的倒装芯片大规模回流
4.芯片到芯片（CoC）、芯片到晶圆（CoW）和晶圆到晶圆（WoW）热压键合和混合键合
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结论先进封装技术对于满足现代电子设备和应用的需求非常重要。随着半导体行业的不断发展，这些封装技术将在实现更高性能、改进功能和更小尺寸方面发挥越来越重要的作用。从2D集成到无凸点3D Chiplet集成，每种技术在性能、成本和可制造性方面都提供了独特的优势和权衡。
先进封装的未来会在材料、工艺和设计方法方面进行进一步创新，以解决功耗、热管理和信号完整性的挑战。随着AI、5G和其他新兴技术继续推动半导体行业向前发展，先进封装将继续成为下一代电子系统的关键赋能技术。
参考文献J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 1, pp. 1-19.

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