面向后克尔的高密度封装技术

面向后克尔的高密度封装技术

1地理工艺和多元应用的智能核心集成电路是信息时代的“粮食”。从军事装备到国防安全，从卫星和雷达到普通大众生活的医疗设备、汽车、电视、手机、摄像头和智能儿童玩具，都离不开它。未来,集成电路将在工程勘察、精准农业、航海导航、GIS数据采集、车辆管理、无人驾驶、智慧物流、可穿戴设备等领域有更大作为。可以说,半导体技术正扮演着多元应用的智能核心,它是一切智能制造的“大脑”,是当今国民经济领域的母机产业。撬动技术:集成电路促进了包括自动化装备、制造装备以及精密仪器微细加工等40多个工程技术的发展。撬动经济:1美金的集成电路所能带动的GDP,相当于100美金。而全世界集成电路的全年产值撬动的GDP相当于中国和美国GDP之和。1.1研发生产和技术,实现制造设备的互动合作半导体制造是我们见过所有制造业里最为复杂、最有科技含量的制造,16nm的制造工艺,就可集成大约33亿个晶体管,1nm相当于头发丝的十万分之一。其产业链非常长,流程十分复杂。要经过制取电子硅、拉制单晶、切磨抛制取晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、清洗、晶圆测试与分割、核心封装、分级测试等200余个步骤。在生产和封测中,需要光刻机、刻蚀机、减薄机、划片机、装片机、引线键合机、倒装机、塑封机、切筋打弯等制造设备的辅助。与传统制造业相同点是规模效应。与传统制造业不同点:不可修复、流程复杂、制作周期长、机器精度高、持续投入强度高、营运成本高、运作系统非常复杂,强调整个团队的互动合作。集成电路产业素有“吞金”行业之称,EUV光刻设备高达一亿多美元/台,建线成本高达百亿美元/条,稍微不慎,巨额投资就会“打了水漂”。集成电路产业有个特点,叫“赢者通吃”。1.2日本半导体技术总览美国技术水平全面领先,尤其以制程工艺和EDA工具最为突出:欧洲半导体在专业领域独树一帜,但新兴领域的技术创新不足。日本半导体技术水平总体与美国相当,尤以材料见长,但总体产业规模日趋下降。韩国发展存储器拉动技术水平突飞猛进,以拓展发展,竞争力日趋增强。中国的台湾地区在集成电路制造及封装领域居于世界前列,“专业代工模式”成为发展主流。1.3封装热技术的发展世界集成电路产业转移延续“雁型模式”:雁形模式理论,是指依据技术差距论,对于早期模仿国可能向后进模仿国发展贸易,形成与创新国相关对应的理论格局。IC产业分布全球,形成了以美国为首,日本、欧洲居次,韩国、中国和台湾地区追随的梯度分布产业格局。封装是将具有一定功能的芯片置入密封在与其相适应的一个外壳壳体中,形成一个完善的整体,为芯片提供保护,并保障功率和信号的输入与输出。同时,将芯片工作时产生的热量散发到外部环境,确保器件能在所要求的外界环境及工作条件下稳定可靠地运行随着半导体技术按照特征尺寸等比例缩小的进一步发展,硅CMOS技术在速度、功耗、集成度、成本等多方面都受到一系列基本物理特性、投资规模等的限制,摩尔定律的发展受到挑战。在后摩尔时代,国际半导体技术路线图已经明确将封装技术作为重要的发展路线,以系统级封装(SiP)为代表的多元化器件和功能集成的路线,成为扩展摩尔定律(MorethanMoore)的主要趋势2中国的集成电路行业2.1关键封装向度封装发展,现代技术亟待突破。在封02专项支持前,中国封测企业主要产品为过孔插、引线框架单芯片封装产品,I/O引脚数小于100。专项十一五期间,支持封测企业针对基板封装、多芯片封装、芯片叠层打线封装等高密度封装展开技术研发,I/O引脚数小于300,目前已形成量产能力,成为封测企业的主打产品和新的利润增长点。专项十二五期间,国内封测企业主要研发的量产技术涵盖了倒装焊、晶圆级封装、凸点技术等国际先进封测技术,已形成批量生产I/O引脚数小于500的产品能力,针对硅通孔、封装体叠层封装等关键封装技术展开前瞻性研究。专项已针对扇出型晶圆级封装、硅通孔、埋入式封装和封装体叠层封装等关键封装技术的量产应用在十三五进行产业布局,力争专项十三五结束时,国内封测企业达到国际领先水平,能够实现I/O引脚数大于1000的产品封装。2.2国内封测产业发展落后2016年中国集成电路产业收入为4335.5亿元,其中封测为1564.3亿元,占比36%,比例恰当。且体量已进入世界前三位,基本不存在技术代差,发展速度显著高于其他竞争对手。而芯片制造和设计领域,我们和世界一流水平是有技术代差。在封测业,长电科技营收是日月光的62%,估计2017年提高至70%,差距较小。在芯片制造业,中芯国际的营收是台积电的10%不到。在芯片设计业,海思的营收是高通的28.5%,如果与三星,英特尔这样的IDM企业比,差距则更大。根据统计前十大封测企业,内资企业营收占56.70%,外资合资企业占43.30%,优于芯片国内企业45%的比例。封装测试设备的国产化率也显著高于芯片业。像集成电路封装用的光刻机,上海微电子公司的500系列步进投影光刻机已经占到了国内市场的80%以上的份额,还有倒装、刻蚀、PVD、清洗、显影、匀胶等设备均已满足国内先进封装的需求,高密度集成电路封装用基板也已开始替代进口。2.3系统实现与设计封装技术最新发展主要表现在3个方面。(1)2.5D和3D封装技术量产推进。2.5D硅转接板的成本,目标价格小于1美分/mm(2)大规模存储、CPU/存储集成、4G/5G移动互联网。2.5D封装CPU/存储集成;扇出型晶圆级封装。(3)设计、仿真与EDA工具:多能域、多层次、DFX协同设计技术。以TSV技术为代表的工艺仿真技术;三维电学设计系统;热管理系统;可靠性与失效分析系统。2.4mems封装器件未来产品的发展趋势分别是。AI、5G、功率器件等SiP模块封装,晶圆级MEMS封装,物联网和穿戴式芯片封装,光互连芯片封装。(1)AI、5G、功率器件等SiP模块封装。Wireless射频模块,集成WLAN+BT+FM+GPS+;高压大功率IGBT模块;IPD集成SiP封装技术。(2)晶圆级MEMS封装。MEMS多芯片晶圆级封装产品;集成TSV结构的MEMS封装器件;标准化的MEMS晶圆级封装工艺。(3)物联网和穿戴式芯片封装。小型化低功耗芯片封装方案;防静电、抗信号干扰的模块设计;绿色电子产品。(4)光互连芯片封装。硅基光电子一体化整合;集成TSV的3D晶圆级封装;芯片间、系统间大数据互连。2.5微缩和纳米晶圆级封装工艺和热压技术目前还存在2大技术挑战。(1)封装芯片级和系统级互连尺度微缩的挑战。互连尺寸微缩下工艺良率问题;LowK芯片封装CPI问题;细线宽线距基板工艺和翘曲问题。(2)电子产品超薄封装技术挑战。结构设计,高密度小型化兼顾散热;工艺开发,如晶圆拿持和基板形变管控;材料选择,平衡封装材料CTE和模量参数。3技术研发中心先进封装与系统集成创新平台依托华进半导体封装先导技术研发中心有限公司企业研发平台,由华进半导体封装先导技术研发中心有限公司牵头,联合中科院微电子所、长电科技、通富微电、华天科技、苏州晶方、兴森快捷、深南电路、安捷利、无锡中科物联、国开发展基金有限公司和东南大学等十一家单位共同组建。国内四大封测公司长电科技、华天科技、通富微电、苏州晶方,三大PCB板与基板公司深南电路、安捷利、兴森快捷都深度参与。3.1产学研合作研发模式及知识产权共享机制中科院微电子所封装系统实验室全部派驻,企业化运作、以市场为导向、产业共性技术研发中心。新型产学研合作研发模式及知识产权共享机制。深入企业合作,具备试样、小批量生产及量产导入的完整链路。3.2d/3d集成封装技术中心研发方向包括。封装系统设计和仿真与测试技术、晶圆级凸块和FC封装技术、封装基板技术、2.5D/3D集成封装技术、晶圆级封装和扇出封装技术。近4年华进承担省市级以上科技计划项目20项;累计完成625项专利申请,授权专利达到242项;高度聚焦于高密度封装与系统集成的研发与产业化;率先在国内针对12英寸晶圆进行TSV技术开发,在高深宽比TSV制造技术方面达到国际先进水平。3.3研发中心基础中心总部位于无锡,在北京设有分中心,现有10000平方米研发场所,3000余平方米洁净区,部分区域净化级别达10级,拥有大型先进仪器设备159台/套,固定资产规模达到3.65亿元。现有基础平台上已建成光电集成封装技术研发中心和MEMS芯片封装技术研发中心两个工程类研发中心。建成12英寸(兼容8英寸)中后道晶圆级工艺、芯片封装工艺、可靠性失效分析三个公共技术服务平台。3.4多种反渗透膜技术合作2017年服务于企、事业单位,国内外客户超过300余家。图1,研发中心服务流程。全面打通工艺平台,WLCSP、Waferbumping、2.5DTSVInterposer等成套技术完成文件体系建设,多种成套技术通过国内(国际)主流客户的产品认证通过多家国内外知名企业及供应商资质审核并建立长期合作关系,包括Intel、微软、AMD、Synaptic、LittleFuse、TDK-EPCOS、华为、美新、德豪光电等,已启动ISO17025资质认证。宇航和军工客户实现零的突破,在技术合作开发方面跟航天科技、中电科技、中国科学院等集团下属研究院(所)和华为等企业形成了稳定的合作关系,支持多项国家的重大工程。华进开发的FOWLP技术完成全部工艺验证,电测结果合格,通过用户认证。组成由25家单位领衔的板级fanout技术联合体,包括华为、矽品等海内外知名企业。申请TSV靶材的ASTM国际标准。3.5大板扇出型封装研发从2012年至今已成功举办组织6届“华进开放日”,邀请海内外院士举办国际封测技术交流会11次,联合材料产业战略联盟建立先进封装材料应用验证平台,联合美国、中国台湾、日本等国内外25家企业成立大板扇出型封装技术开发联合体,联合法国著名市场调研公司YoleDevelopment在无锡举办了4届“国际先进封装和系统集成技术研讨会”。与清华、北大、复旦、东南、交大等13所高校研究所签定