引言

半導(dǎo)體行業(yè)自誕生以來經(jīng)歷了顯著的變革，封裝技術(shù)在電子系統(tǒng)的整體性能、功能和成本效益方面發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著摩爾定律遇到物理和經(jīng)濟(jì)限制，先進(jìn)封裝已成為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件持續(xù)性能提升的關(guān)鍵推動力。本文探討先進(jìn)封裝技術(shù)的歷史演變，從早期的翻轉(zhuǎn)芯片(Flip-Chip)實(shí)現(xiàn)到尖端的混合鍵合(Hybrid Bonding)技術(shù)，研究其技術(shù)特性、發(fā)展軌跡和比較優(yōu)勢[1]。

先進(jìn)封裝已從主要的保護(hù)功能轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅懿町惢蛩睾托孪到y(tǒng)架構(gòu)的推動者。與主要用于保護(hù)半導(dǎo)體器件并提供基本電氣連接的傳統(tǒng)封裝不同，先進(jìn)封裝通過復(fù)雜的互連、熱管理解決方案和形狀因子優(yōu)化來增強(qiáng)功能。這種演變反映了半導(dǎo)體行業(yè)不斷變化的需求，以及異構(gòu)集成在后摩爾定律時代日益增長的重要性。

圖1按基板類型和架構(gòu)分類說明了各種先進(jìn)封裝平臺，展示了從傳統(tǒng)引線鍵合封裝到復(fù)雜的2.5D/3D解決方案的全譜，提供了封裝技術(shù)全景的全面概述。

翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)：先進(jìn)封裝的基礎(chǔ)

翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)代表了現(xiàn)代先進(jìn)封裝的基礎(chǔ)，標(biāo)志著與傳統(tǒng)引線鍵合的顯著分離。在翻轉(zhuǎn)芯片封裝中，半導(dǎo)體芯片被翻轉(zhuǎn)并直接安裝在基板上，活性面朝下，使用分布在芯片表面的焊料凸點(diǎn)創(chuàng)建電氣連接。與引線鍵合相比，這種方法大大減少了電氣路徑長度，改善了電氣性能，同時實(shí)現(xiàn)了更高的I/O密度和更好的散熱效果。

最初由IBM在1960年代開發(fā)的控制塌陷芯片連接(C4)，翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)在幾十年里有了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。早期實(shí)現(xiàn)使用相對較大的焊料凸點(diǎn)，間距為數(shù)百微米，而現(xiàn)代翻轉(zhuǎn)芯片封裝采用更精細(xì)的間距，通常低于100微米，這得益于材料和制造工藝的進(jìn)步。凸點(diǎn)間距的持續(xù)微型化使更高的I/O計(jì)數(shù)和改進(jìn)的電氣性能成為可能，使翻轉(zhuǎn)芯片封裝適用于越來越復(fù)雜的應(yīng)用。

翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)包括幾種變體，包括翻轉(zhuǎn)芯片球柵陣列(FCBGA)和翻轉(zhuǎn)芯片芯片級封裝(FCCSP)。FCBGA通常采用較大的有機(jī)基板，具有多個布線層，常用于高性能應(yīng)用，如CPU、GPU和FPGA器件。FCCSP具有更小的形狀因子和簡化的基板結(jié)構(gòu)，在尺寸約束至關(guān)重要的移動和消費(fèi)類應(yīng)用中更為普遍。

圖2顯示了2023年至2029年不同先進(jìn)封裝平臺的收入預(yù)測，突出了翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)在市場中的主導(dǎo)地位及其與2.5D/3D集成等新興技術(shù)一起的預(yù)期增長軌跡。

晶圓級封裝：微型化和成本優(yōu)化

晶圓級封裝(WLP)代表了半導(dǎo)體封裝的重大進(jìn)步，其中封裝過程在芯片切割前在晶圓級進(jìn)行。這種方法通過并行處理最小化封裝尺寸，通常接近芯片尺寸本身，同時降低制造成本。WLP技術(shù)大致分為扇入晶圓級封裝(FIWLP)和扇出晶圓級封裝(FOWLP)。

扇入晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)將重分布層(RDL)和電氣連接限制在芯片區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生盡可能小的封裝尺寸。WLCSP通常以0.4-0.5mm的間距實(shí)現(xiàn)，在空間受限的應(yīng)用中已變得無處不在，如移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。該技術(shù)的主要優(yōu)勢包括由于互連長度短而實(shí)現(xiàn)的出色電氣性能、優(yōu)越的熱性能以及高容量生產(chǎn)的成本效益。

圖3展示了2020年至2029年扇入晶圓級封裝的高容量制造路線圖，詳細(xì)說明了關(guān)鍵參數(shù)的演變，如最大封裝尺寸、I/O數(shù)量、線寬/間距尺寸和凸點(diǎn)間距，說明了WLCSP技術(shù)中持續(xù)的微型化趨勢。

扇出晶圓級封裝將重分布層擴(kuò)展到芯片邊界之外，與扇入方法相比，實(shí)現(xiàn)了更高的I/O數(shù)量和改進(jìn)的熱性能。FOWLP是由英飛凌通過嵌入式晶圓級球柵陣列(eWLB)技術(shù)首創(chuàng)的，隨著臺積電集成扇出(InFO)技術(shù)的應(yīng)用，特別是在蘋果A系列處理器中，獲得了顯著的市場吸引力。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為多種變體，包括核心扇出、高密度扇出和超高密度扇出，每種變體針對不同的應(yīng)用需求和性能水平。

圖4概述了2020年至2029年扇出晶圓級封裝的高容量制造路線圖，顯示了關(guān)鍵參數(shù)的進(jìn)展，如封裝尺寸、芯片數(shù)量、RDL層、線寬/間距尺寸和芯片間距離，突出了該技術(shù)向更高集成密度和復(fù)雜性的發(fā)展。

FOWLP技術(shù)提供了幾個優(yōu)勢，包括減少封裝厚度、改進(jìn)熱性能、更高的I/O密度以及將多個芯片集成在單一封裝中的能力。然而，也帶來了制造挑戰(zhàn)，特別是在芯片放置精度、翹曲控制和良率優(yōu)化方面。FOWLP最近的發(fā)展包括面板級封裝(PLP)方法，使用更大的矩形面板代替圓形晶圓，以提高制造效率并降低成本。

系統(tǒng)級封裝：集成和功能密度

系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)代表了功能集成的重大進(jìn)步，可以在單一封裝中組合多個有源和無源組件。與通常容納單一芯片的更基本封裝方法不同，SiP集成了各種組件，包括處理器、存儲器、傳感器、射頻模塊和無源元件，在緊湊的形狀因子中創(chuàng)建完整的功能系統(tǒng)。

SiP技術(shù)的演變可以追溯到早期主要用于高性能計(jì)算的多芯片模塊(MCM)，到現(xiàn)代在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的高度集成封裝。早期實(shí)現(xiàn)側(cè)重于將多個芯片并排放置在共同基板上，而當(dāng)代SiP設(shè)計(jì)采用復(fù)雜的3D堆疊、嵌入式組件和先進(jìn)的互連技術(shù)來最大化功能密度。

圖5說明了系統(tǒng)級封裝技術(shù)的集成能力，展示了多樣化組件如何結(jié)合在統(tǒng)一的封裝結(jié)構(gòu)中，包括芯片、存儲模塊、無源組件、天線和光學(xué)元件，展示了SiP在創(chuàng)建完整功能系統(tǒng)方面的多功能性。

SiP技術(shù)已顯著發(fā)展以滿足新興應(yīng)用的需求?，F(xiàn)代SiP實(shí)現(xiàn)結(jié)合了先進(jìn)特性，如用于電磁隔離的射頻屏蔽、用于無線連接的集成天線、用于改進(jìn)電氣性能的嵌入式無源組件和復(fù)雜的熱管理解決方案。該技術(shù)在移動和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域尤為變革性，在這些領(lǐng)域，尺寸、重量和功率限制最為重要。

圖6描述了系統(tǒng)級封裝技術(shù)從早期多芯片模塊到現(xiàn)代高度集成設(shè)計(jì)的歷史演變，顯示了在半導(dǎo)體封裝發(fā)展的不同時代中，集成密度、性能和應(yīng)用重點(diǎn)的進(jìn)展。

2.5D和3D集成：垂直擴(kuò)展

隨著傳統(tǒng)縮放方法面臨越來越多的挑戰(zhàn)，2.5D和3D集成技術(shù)已成為半導(dǎo)體系統(tǒng)持續(xù)性能改進(jìn)的關(guān)鍵推動力。這些技術(shù)利用垂直維度創(chuàng)建更復(fù)雜和更高性能的系統(tǒng)，克服了與平面集成方法相關(guān)的許多限制。

2.5D集成通常涉及將多個芯片并排安裝在硅中間層上，硅中間層在芯片和封裝基板之間提供高密度互連。硅中間層包含通硅通孔(TSV)，連接中間層的前后兩面，實(shí)現(xiàn)芯片之間和與底層基板之間的復(fù)雜布線。這種方法允許集成不同類型的芯片，可能使用不同的工藝技術(shù)制造，同時提供比傳統(tǒng)基板互連更優(yōu)的電氣性能。

圖7展示了臺積電晶圓上芯片基板(CoWoS-S)2.5D中間層技術(shù)從2012年到2023年的演變，顯示了中間層尺寸、復(fù)雜性和集成能力的進(jìn)展，每一代都能容納更多的HBM存儲堆棧和更大的計(jì)算芯片。

3D集成更進(jìn)一步，直接將芯片堆疊在彼此之上，通常使用TSV在堆疊層之間創(chuàng)建電氣連接。這種方法大大減少了組件之間的物理距離，最小化信號傳播延遲和功耗，同時最大化功能密度。3D集成在存儲應(yīng)用中特別有影響，例如高帶寬存儲器(HBM)堆疊多個DRAM芯片以實(shí)現(xiàn)空前的存儲帶寬。

2.5D和3D集成的演變標(biāo)志著TSV技術(shù)、鍵合技術(shù)、熱管理解決方案和中間層設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)。早期實(shí)現(xiàn)面臨與熱散發(fā)、制造良率和成本效益相關(guān)的挑戰(zhàn)，但持續(xù)的進(jìn)步已解決了許多這些問題，使這些技術(shù)在高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和人工智能應(yīng)用中得到更廣泛的采用。

圖9顯示了2021年至2028年及以后的高端封裝路線圖，將各種先進(jìn)封裝技術(shù)如3D/2.5D TSV、混合鍵合、EMIB和Foveros與相應(yīng)的應(yīng)用和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)映射，說明了高性能計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

嵌入式芯片技術(shù)：集成和微型化

嵌入式芯片技術(shù)代表了先進(jìn)封裝的獨(dú)特方法，半導(dǎo)體芯片嵌入在封裝基板內(nèi)部，而不是安裝在表面上。這種方法實(shí)現(xiàn)了微型化和集成的前所未有水平，特別適用于具有嚴(yán)格尺寸限制和性能要求的應(yīng)用。

該技術(shù)涉及將裸芯片嵌入基板材料的凹腔中，通常使用類似于印刷電路板制造中使用的層壓工藝。然后使用通孔和導(dǎo)電線路的建立層將芯片互連，創(chuàng)建高度集成的模塊，其中封裝和基板之間的區(qū)別變得模糊。

嵌入式芯片技術(shù)提供了幾個優(yōu)勢，包括減少形狀因子、由于互連長度短而改善電氣性能、增強(qiáng)熱特性，以及通過防護(hù)環(huán)境因素提高可靠性。該技術(shù)還使無源組件與有源芯片一起集成，進(jìn)一步提高功能密度和系統(tǒng)性能。

雖然嵌入式芯片技術(shù)相對于其他先進(jìn)封裝方法的采用較為有限，主要是由于制造復(fù)雜性和良率挑戰(zhàn)，但對于需要極端微型化和性能優(yōu)化的應(yīng)用，代表了未來封裝演變的有希望方向。

硅橋接和中間層技術(shù)：高密度集成

硅橋接和中間層技術(shù)代表了在先進(jìn)封裝中實(shí)現(xiàn)高密度芯片間互連的復(fù)雜方法。這些技術(shù)利用硅優(yōu)秀的尺寸穩(wěn)定性和半導(dǎo)體行業(yè)成熟的處理能力，創(chuàng)建高性能互連結(jié)構(gòu)。

硅中間層在2.5D封裝方法中使用，為安裝多個芯片提供平臺，通過高密度互連連接。中間層包含通硅通孔(TSV)，連接前后兩面，實(shí)現(xiàn)安裝的芯片與底層封裝基板之間的通信。硅中間層的細(xì)線布線能力，通常實(shí)現(xiàn)2μm/2μm或以下的線寬/間距尺寸，遠(yuǎn)超有機(jī)基板，使更高的互連密度成為可能。

圖10展示了臺積電CoWoS-R(有機(jī)中間層)技術(shù)在多代產(chǎn)品中的路線圖，詳細(xì)描述了規(guī)格如掩模尺寸、組件集成、線寬/間距尺寸、層數(shù)和基板尺寸，顯示了該技術(shù)向適應(yīng)更復(fù)雜系統(tǒng)和更高集成密度的演變。

硅橋接技術(shù)，如英特爾的嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)，提供了另一種方法，通過在封裝基板中嵌入小型硅橋接來提供相鄰芯片之間的高密度互連。這種方法避免了對完整硅中間層的需求，可能降低成本和制造復(fù)雜性，同時仍然實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)基板布線更高的互連密度。

圖11說明了英特爾EMIB技術(shù)在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品中的實(shí)現(xiàn)，顯示了2017年至2024年多代產(chǎn)品中橋接數(shù)量、掩模等效面積和基板尺寸的進(jìn)展，展示了該技術(shù)支持復(fù)雜多芯片集成的不斷增強(qiáng)的能力。

硅中間層和橋接技術(shù)都隨著時間顯著發(fā)展，在TSV尺寸、布線密度、電源傳輸能力和熱管理解決方案方面持續(xù)改進(jìn)。這些進(jìn)步使集成越來越復(fù)雜的系統(tǒng)成為可能，特別是在高性能計(jì)算、人工智能和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，高帶寬芯片間通信至關(guān)重要。

混合鍵合：下一個前沿

混合鍵合代表了先進(jìn)封裝技術(shù)的前沿，實(shí)現(xiàn)金屬和介電材料之間的直接鍵合，在芯片或晶圓之間創(chuàng)建超高密度互連。與依賴焊料凸點(diǎn)或銅柱的傳統(tǒng)互連方法不同，混合鍵合在金屬表面（通常是銅）之間創(chuàng)建直接的原子到原子鍵，同時在周圍的介電材料之間形成強(qiáng)鍵。

該技術(shù)起源于圖像傳感器應(yīng)用，索尼率先將其用于將圖像傳感器芯片連接到邏輯芯片，具有高互連密度和對光學(xué)性能的最小影響。此后，混合鍵合已擴(kuò)展到內(nèi)存堆疊應(yīng)用，特別是3D NAND閃存，現(xiàn)在正在探索用于高性能計(jì)算系統(tǒng)中的邏輯到邏輯連接。

圖12解釋了混合鍵合的概念及其各種實(shí)現(xiàn)，包括晶圓對晶圓、芯片對晶圓和芯片對芯片方法，詳細(xì)說明了在金屬表面之間創(chuàng)建連接的直接鍵合機(jī)制，同時在介電材料之間形成鍵。

與傳統(tǒng)互連技術(shù)相比，混合鍵合提供了幾個令人信服的優(yōu)勢?；ミB間距可以降低到10微米以下，遠(yuǎn)超微凸點(diǎn)技術(shù)的能力，后者通常實(shí)現(xiàn)約25-40微米的最小間距。這使得更高的互連密度成為可能，對于高帶寬芯片間通信至關(guān)重要。此外，直接金屬到金屬的鍵最小化了電阻和寄生電容，改善了信號完整性并降低了功耗。

圖13比較了傳統(tǒng)凸點(diǎn)、微凸點(diǎn)和混合鍵合技術(shù)在多個性能參數(shù)方面的表現(xiàn)，包括連接間距、密度、信號延遲、帶寬密度和能耗，突出了混合鍵合在實(shí)現(xiàn)高性能互連方面的優(yōu)越特性。

盡管有優(yōu)勢，混合鍵合仍然帶來了顯著的制造挑戰(zhàn)。該過程需要極其精確的芯片對準(zhǔn)，典型的對準(zhǔn)精度要求低于1微米。表面準(zhǔn)備也至關(guān)重要，因?yàn)槿魏挝廴净虼植诙榷伎赡苡绊戞I合質(zhì)量。這些挑戰(zhàn)限制了混合鍵合的應(yīng)用，只限于其優(yōu)勢明顯超過額外制造復(fù)雜性的特定應(yīng)用。

展望未來，混合鍵合預(yù)計(jì)將在先進(jìn)封裝中發(fā)揮越來越重要的作用，特別是對于需要極端互連密度和性能的應(yīng)用。該技術(shù)預(yù)計(jì)將向更精細(xì)的間距發(fā)展，可能低于1微米，而制造工藝將繼續(xù)成熟，以提高良率和成本效益。

結(jié)論

先進(jìn)封裝技術(shù)從翻轉(zhuǎn)芯片到混合鍵合的演變，代表了對半導(dǎo)體行業(yè)不斷變化的需求和挑戰(zhàn)的創(chuàng)新性回應(yīng)。隨著傳統(tǒng)縮放方法面臨越來越多的物理和經(jīng)濟(jì)限制，先進(jìn)封裝已成為半導(dǎo)體系統(tǒng)持續(xù)性能改進(jìn)、功能集成和成本優(yōu)化的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

每種封裝技術(shù)都提供了不同的優(yōu)勢，適用于不同的應(yīng)用和性能要求。翻轉(zhuǎn)芯片技術(shù)由于其成熟度、多功能性和對許多應(yīng)用的成本效益而繼續(xù)主導(dǎo)市場。晶圓級封裝提供出色的微型化能力，在空間受限的消費(fèi)電子產(chǎn)品中特別有價值。系統(tǒng)級封裝方法實(shí)現(xiàn)了前所未有的功能集成，在緊湊的形狀因子中創(chuàng)建完整的系統(tǒng)。

2.5D和3D集成技術(shù)利用垂直維度創(chuàng)建高性能、高帶寬系統(tǒng)，特別適用于內(nèi)存密集型應(yīng)用。硅橋接和中間層技術(shù)提供高密度芯片間互連，對于復(fù)雜的多芯片系統(tǒng)至關(guān)重要。混合鍵合代表了當(dāng)前的技術(shù)前沿，提供超高密度互連和優(yōu)越的電氣特性。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展，先進(jìn)封裝將在實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用領(lǐng)域的下一代電子系統(tǒng)中發(fā)揮越來越核心的作用，從移動設(shè)備到高性能計(jì)算、汽車系統(tǒng)等。這些技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，以及新的創(chuàng)新，將對推動半導(dǎo)體革命數(shù)十年的性能軌跡的延續(xù)具有關(guān)鍵意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Yole Group, "Status of The Advanced Packaging Industry 2024," Market and Technology Trends Report, YINTR24432, 2024.

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