先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)趨勢(shì)：2.5D和3D深度解析

半導(dǎo)體封裝技術(shù)已經(jīng)從最初的1D PCB水平發(fā)展到最尖端的3D混合鍵合封裝技術(shù)在晶圓級(jí)別。這一進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了一位數(shù)微米的互連間距，以高能效實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000 GB/s的帶寬。

四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)塑造了先進(jìn)半導(dǎo)體封裝：功耗、性能、面積和成本：

• 功耗：通過(guò)創(chuàng)新的封裝技術(shù)提高功耗效率。

• 性能：通過(guò)縮短互連間距以增加輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，提高帶寬并減少通信長(zhǎng)度，從而提高性能。

• 面積：在用于高性能計(jì)算領(lǐng)域的芯片中需要較大的封裝面積，而在3D集成中需要較小的z形狀因子。

• 成本：通過(guò)采用替代材料或提高制造設(shè)備效率，持續(xù)降低封裝成本。

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2.5D和3D封裝技術(shù)包括各種封裝技術(shù)。

在2.5D封裝中，互聯(lián)墊的選擇將其分為基于硅、基于有機(jī)和基于玻璃的互聯(lián)墊，如上圖所示。與此同時(shí)，在3D封裝中，微球技術(shù)的演進(jìn)旨在實(shí)現(xiàn)更小的間距尺寸。然而，通過(guò)采用混合鍵合技術(shù)，即直接連接Cu-Cu，實(shí)現(xiàn)了今天一位數(shù)間距尺寸的可能性，這標(biāo)志著該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

每種2.5D和3D配置中每種封裝類型的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)：

2.5D

硅：在這個(gè)類別中有兩種選擇：使用完整的無(wú)源硅晶片的硅互聯(lián)墊，和Si橋，它可以采用基于風(fēng)扇外的模壓化合物或基于具有腔的基板的局部Si橋的形式。硅互聯(lián)墊通常用于高性能計(jì)算集成的2.5D封裝，因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)最精細(xì)的路由特征，但在材料和制造方面與有機(jī)材料等替代方案相比成本較高，并且存在封裝面積限制的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，局部Si橋形式正在嶄露頭角，戰(zhàn)略性地利用Si在精細(xì)特征至關(guān)重要的情況。此外，Si橋結(jié)構(gòu)有望在Si互聯(lián)墊在面積上受到限制的情況下得到更廣泛的應(yīng)用，超越4x或5x遮光板的限制。

有機(jī)：在報(bào)告中，我們特別考慮了使用風(fēng)扇外模壓化合物而不是有機(jī)基板的有機(jī)封裝。有機(jī)材料具有將它們的介電常數(shù)調(diào)整到低于硅的能力，有助于降低封裝中的RC延遲。此外，與硅相比，這些材料是一種更經(jīng)濟(jì)的替代品。這些優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了有機(jī)2.5D封裝的出現(xiàn)。然而，一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)與Si基封裝相同水平的互連特征減小所面臨的挑戰(zhàn)。

玻璃：玻璃基方法在英特爾今年早些時(shí)候推出其基于玻璃的測(cè)試車載封裝后引起了極大的關(guān)注。玻璃具有可調(diào)的熱膨脹系數(shù)、高維度穩(wěn)定性和平滑、平坦的表面等有利特性。這些特性使玻璃成為一種有望成為互聯(lián)墊的有力候選，其路由特征有望與硅媲美。然而，玻璃的主要缺點(diǎn)在于其生態(tài)系統(tǒng)不成熟，以及在封裝行業(yè)中目前缺乏大規(guī)模的量產(chǎn)能力。盡管如此，隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟和生產(chǎn)能力的提高，半導(dǎo)體封裝中玻璃基技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。

3D

微球：基于熱壓縮鍵合（TCB）工藝的成熟微球技術(shù)在各種產(chǎn)品中擁有長(zhǎng)期存在。其路線圖包括不斷縮小凸點(diǎn)間距。然而，在這一過(guò)程中，由于較小的錫球尺寸導(dǎo)致插層化合物（IMCs）形成增加，電導(dǎo)率和機(jī)械性能降低。此外，接觸間隙過(guò)小可能導(dǎo)致錫球橋接，從而在回流過(guò)程中導(dǎo)致芯片故障。由于錫和IMCs的電阻率高于銅，它們?cè)诟咝阅芙M件封裝中的使用受到限制。

混合鍵合：混合鍵合涉及通過(guò)將介電材料（SiO2）與嵌入的金屬（Cu）結(jié)合來(lái)創(chuàng)建永久性互聯(lián)。由于Cu-Cu混合鍵合的間距可達(dá)到10微米以下（通常在一位數(shù)微米左右），其優(yōu)勢(shì)包括擴(kuò)展的I/O、增加的帶寬、增強(qiáng)的3D垂直堆疊、提高的功耗效率以及由于無(wú)需填充而減少的寄生電阻和熱阻。挑戰(zhàn)包括與這種先進(jìn)技術(shù)相關(guān)的制造復(fù)雜性和較高的成本。

IDTechEx的新報(bào)告，“Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications”，深入探討了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的最新創(chuàng)新，涵蓋了關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)、分析價(jià)值鏈、評(píng)估主要參與者，并提供了詳細(xì)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)。

該報(bào)告認(rèn)識(shí)到先進(jìn)半導(dǎo)體封裝作為下一代IC的基礎(chǔ)的關(guān)鍵作用。它關(guān)注于其在關(guān)鍵市場(chǎng)（如人工智能和數(shù)據(jù)中心、5G、自動(dòng)駕駛汽車和消費(fèi)電子）中的應(yīng)用。借助IDTechEx在這些領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，該報(bào)告全面了解半導(dǎo)體封裝技術(shù)在這些關(guān)鍵領(lǐng)域中的影響和未來(lái)軌跡。