芯片制造之先进封装介绍

在半导体发展的复杂历程中，一个显著的变革正在展开——从传统的2D技术向尖端的2.5D和3D集成电路封装的转变。这一封装技术的转变不仅揭示了摩尔定律带来的挑战和2D方法固有的限制，还承诺提高效率，并开辟了一个尚未完全探索的能力领域。本篇中，我们将带您穿越集成电路封装的旅程，探讨从二维到三维在集成电路世界中进化的原因和方式。1、集成电路IC集成电路（IC）封装是半导体制造过程中的关键步骤，它涉及将半导体晶圆（实际的集成电路）封装在一个保护性的、通常是功能性的包装中。这种封装有几个目的，包括提供对环境因素的防护、散热、电气连接，有时还包括信号调节或电源供应等附加功能。在半导体制造流程中，集成电路（IC）封装通常在实际半导体器件的制造之后进行。这个过程包括将裸露的半导体晶圆（通常是一小块含有集成电路的脆弱硅片）放入一个提供必要支持和连接的封装中。这个现实生活中的类比有助于理解这一过程：想象你刚烤好了一个既美味又复杂的蛋糕，这个过程类似于半导体器件的制造。这个蛋糕代表了集成电路，是你精确操作、精心制作于“厨房”（即半导体制造环境）中的成果。但是，蛋糕容易受到外界影响，比如你要将它带到城镇另一端的派对。为了避免途中受损，你需要妥善包装。这时，坚固的蛋糕盒（相当于IC封装）就派上了用场。它不仅保护了蛋糕精致的内部结构，还提供了便捷的携带方式。在这个类比中：烤蛋糕（半导体制造）：在半导体晶圆上制作集成电路的过程。包装蛋糕（IC封装）：烤好的蛋糕需要放入盒子来保护。同样，半导体制造后，将裸晶放入功能性封装中，以确保其安全。带到派对（集成到设备中）：包装好的蛋糕可以安全带到派对地点供人享用。类似地，封装好的半导体可以安全集成到各种电子设备中，如智能手机或计算机。在这两个例子中，包装不仅保护了脆弱的核心（蛋糕或半导体），还促进了与外界的连接（运输或电路板连接）。值得一提的是，半导体封装通常还具备散热功能，这对于维持集成电路的性能至关重要。从2D到3D的演变中，封装从平面配置转变为分层结构。这个过程旨在克服尺寸、功耗和信号传输的限制，预示着半导体技术新时代的到来。2、2D、2.5D和3D封装2.1、2D封装时代在2D集成电路封装中，将单个芯片或晶圆并排排列在基板或印刷电路板（PCB）上。使用引线键合或倒装芯片技术将它们互连。从基础的引线键合封装到更先进的倒装芯片封装（FCP）和扇出型晶圆级封装（Fan-OutWLP），这些技术的进步极大地影响了半导体行业的发展。下面是对这些技术的一些补充说明：1、引线键合封装（Wire-Bonding）:

这是最传统的封装方法之一，通过金属引线（通常是金线）将芯片（die）上的焊盘与基板上的焊盘连接起来。这种封装方式因其成本效益高和工艺成熟而广泛使用，但它确实存在一些局限性，如封装尺寸较大，限制了I/O的数量。2、倒装芯片封装（FCP-flipchip）:

与传统封装不同，倒装芯片封装将芯片正面朝下放置在基板上，并通过焊球（通常是锡球）直接连接到基板。这种方式减少了信号传输距离，提高了电性能，并允许更高的封装密度和更多的I/O引脚。3、扇出型晶圆级封装（Fan-OutWLP）:

这是一种在晶圆级别进行的封装技术，允许在芯片的外围制作出更多的I/O引脚。这种封装方法可以进一步减小封装尺寸，提高性能，并且适合于高密度互连的应用。(晶圆级封装（WaferLevelPackaging，WLP）是一种先进的半导体封装技术，它允许在晶圆级别对单个芯片进行封装，而不是在芯片切割和测试之后。这种方法可以显著提高生产效率和封装密度，同时降低成本。)Fan-InWLP(WaferLevelPackaging)和Fan-OutWLP是两种不同的晶圆级封装技术，它们在封装结构、制造过程和应用领域上有所区别。1、Fan-InWLP(WaferLevelPackaging)：封装结构：在Fan-InWLP中，芯片的输入/输出（I/O）引脚被封装在芯片的周围，即I/O引脚的分布范围被限制在芯片的尺寸之内。制造过程：该技术通常涉及在晶圆级别对芯片进行封装，包括在晶圆上形成凸点（bumps），然后进行测试和切割，形成单独的芯片。应用领域：Fan-InWLP适用于较小尺寸、较低引脚数的芯片，如手机和其他便携式设备中的微控制器和传感器。2、Fan-OutWLP(WaferLevelPackaging)：封装结构：与Fan-InWLP不同，Fan-OutWLP允许I/O引脚分布在芯片的外围，即超出芯片本身的尺寸。这通过在芯片周围添加一个或多个扩展层（re-distributionlayers,RDLs）来实现。制造过程：在Fan-OutWLP中，芯片首先被放置在一个临时或永久性的载体上，然后在芯片周围构建RDL和凸点。这个过程可以在晶圆级别或单个芯片级别进行。应用领域：Fan-OutWLP适用于更大尺寸、更高引脚数的芯片，如应用处理器、电源管理IC和存储器。它也适用于需要更高性能和更多功能集成的应用。总的来说，Fan-InWLP和Fan-OutWLP都是高效的封装技术，它们通过在晶圆级别进行封装，大大提高了生产效率和封装密度。Fan-OutWLP由于其更高的I/O密度和更好的热性能，特别适合于高性能和高度集成的电子产品。随着电子产品对性能和尺寸要求的不断提高，这些晶圆级封装技术将继续发展和优化。这些封装技术的进步，特别是倒装芯片封装和扇出型晶圆级封装，对于支持现代电子设备中日益增长的功能和性能需求至关重要。随着技术的不断发展，我们可能会看到更多创新的封装技术出现，以应对更小、更快、更高效的电子产品的需求。在2D封装中面临的一些问题包括：1、集成限制：在2D集成电路封装中，不同功能的分立器件（如高性能逻辑、低性能逻辑、内存、模拟/射频）各自存在于自己的芯片封装中。这种设置限制了可实现的集成水平。2、尺寸和重量：2DIC封装产生的电路板更大、更重，消耗的电力也更多。3、可靠性：板上的每个焊接接头都是潜在的故障点。4、性能下降：性能有显著的下降，因为信号从一个芯片封装传播到另一个芯片封装需要相对较长的时间。这些限制导致了2.5D集成电路封装的发展。2.2、2.5D集成电路封装2.5D集成电路封装是从传统2D集成电路的一个渐进步骤。与2D封装将芯片并排放置在基板(substrate)上不同，2.5D封装涉及将两个或更多的半导体芯片并排放置在一个硅中介层（interposer）上，这种封装方式通过衬底上的微型通道和微凸块来提供芯片间的垂直互连，从而提高了集成度，减少了信号延迟，并优化了功耗和性能。硅中介层在芯片之间提供连接，实现了极高的芯片间互连密度。与2D集成电路封装相比，这允许更精细的线条和空间。因此，尽管2D封装的芯片分布在单个平面上，但2.5D封装开始建立层次结构。这为2D和3D封装之间提供了一个中间地带。我们可以将2.5D集成电路封装想象成一个所有建筑物高度相同的城市，通过桥梁相连。每个“建筑物”都是一个执行特定功能的芯片。这些“桥梁”是硅中介层，它们允许建筑物之间更快、更有效的通信。2.5D集成电路封装的例子包括：1、英特尔KabyLake-G处理器：这款处理器使用英特尔的嵌入式多晶圆互连桥（EMIB）技术，将CPU和GPU集成在单个封装中。2、AMDRadeonInstinctMI25X显卡：这款显卡使用AMD的互连桥（IFB）技术，将多个HBM2内存堆叠与GPU连接。3、NVIDIATeslaV100显卡：这款显卡使用NVIDIA的NVLink技术，将多个GPU连接在一起。3、摩尔定律的限制与采用芯片堆叠的根本原因摩尔定律（英语：Moore'slaw）是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔提出的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍；而经常被引用的“18个月”，则是由英特尔首席执行官大卫·豪斯（DavidHouse）提出：预计18个月会将芯片的性能提高一倍（即更多的晶体管使其更快），是一种以倍数增长的观测。半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪，对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献，并驱动了一系列科技创新、社会改革、生产效率的提高和经济增长。个人电脑、因特网、智能手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续。尽管近现代的数十年间摩尔定律均成立，但它仍应被视为是对现象的观测或对未来的推测，而不应被视为一个物理定律或者自然界的规律。从另一角度看，未来的增长率在逻辑上无法保证会跟过去的数据一样，也就是逻辑上无法保证摩尔定律会持续下去。在过去几十年中，电子产品的性能基本上是由半导体工艺的进步推动的，尤其是光刻技术的发展。然而，自2010年代以来，保持缩放趋势的发展成本不断上升和制程迭代物理极限限制，电子行业逐渐偏离了摩尔定律。然而，对更强大性能、更小尺寸和更低成本的永恒需求仍然存在。于是，改进封装技术，成了延续摩尔定律的又一个新的技术努力方向。所谓组件缩放：这涉及到缩小整个芯片或封装的尺寸，包括所有晶体管、互连和其他组件。使用的技巧包括光刻和蚀刻。随着我们接近摩尔定律的极限，组件缩放变得具有挑战性。组件缩小的速度变慢，而且这些芯片的技术、设计、分析和制造成本要高得多。物理限制：由于模块是并排放置的，添加更多芯片会导致面积增大。对于设备可以制作多大的实际限制。光掩模和光罩尺寸最终决定了芯片的最大尺寸——大约是25到27毫米。因此，从物理上讲，你不能制作大于这个尺寸的芯片。晶体管缩放：由于晶体管数量缩放已经减少，设计师无法通过将更多设备放入单个封装来从增加的复杂性中受益。这些限制导致了3D集成电路封装的发展。3.1、3D集成电路封装的出现3D集成电路封装就像是把书堆叠在彼此之上。每本书或芯片都有其自己的功能，它们垂直连接，就像书与书之间的楼梯。这使得我们能够在相同的架子上添加更多的书，使系统更快、更高效。这就像在城市中建造摩天大楼以节省空间。3D集成电路（IC）实现了“超越摩尔”的集成，提高了在更小空间内的功能性，并降低了成本。这些封装可以容纳不同工艺节点的各种晶圆，包括逻辑、内存、模拟、射频和MEMS。它们将高速逻辑与较旧的节点结合起来用于模拟功能。这种方法优化了性能和外形因素。因此，可以在单个晶圆中以更大的空间集成多个设备。3.2、3DIC封装是如何实现的——技术术语3DIC封装是通过一个称为垂直堆叠的过程实现的。这涉及到使用传统的互连方法，如引线键合和倒装芯片技术。3D封装可以分为3D系统级封装（3DSiP）、3D晶圆级封装（3DWLP）、3D堆叠集成电路（3DSiC）。将3D系统级封装（3DSiP）想象成一个多层建筑，每层都是不同的芯片。它们通过电梯（引线键合或倒装芯片技术）连接。3D晶圆级封装（3DWLP）就像一个单一的大楼层，不同的房间（芯片）通过门（互连）连接。整个楼层一次性建成（晶圆级工艺），创建了一个封装组件的基础结构。3D-SIC可以被想象成一座摩天大楼，其中每一层都是一个高度集成的集成电路（IC）。这些层通过垂直的“电梯井”（通孔）和“电梯”（如铜线或硅通孔（TSV））连接起来，允许信号和数据在不同的IC层之间快速传输。这三种方法都允许我们在相同的封装中容纳更多的芯片，从而提高性能。3DIC封装的例子包括：1、台积电SoIC-SystemofIntegratedChips”，即集成芯片系统，于2018年4月公开，是台积电基于CoWoS（CoWoS是一种2.5D、3D的封装技术，可以分成“CoW”和“WoS”来看。“CoW（Chip-on-Wafer）”是芯片堆叠；“WoS（Wafer-on-Substrate）”则是将芯片堆叠在基板上）与多晶圆堆叠(WoW)封装技术，开发的新一代创新封装技术，这标志着台积电已具备直接为客户生产3DIC的能力。2、三星的X-Cube技术通过3D集成大幅降低大型单片芯片的良率风险，以更低的成本实现高系统性能，同时保持高带宽和低功耗。三星基于微凸块的3DIC技术实际上是为HBM而开发，并成功用于生产数千万个HBM。这种3D-IC技术可谓经过大规模生产验证且具有成本效益。而正在准备的无凸块混合铜键合通过消除接头间隙，提供了更高的互连密度和热性能。3、英特尔Foveros首次引入于2019年，Foveros是一种先进的3D面对面堆叠封装过程技术。该技术旨在将两个或更多的芯粒组装在一起。它包括一个基逻辑芯片，在其上方放置额外的主动组件，如另一个逻辑芯片、内存、FPGA，甚至模拟/射频组件。Foveros的关键特征是通过非常细小的、36微米间距的微凸点（很可能是铜柱）进行面对面（F2F）芯片对芯片的键合。3.3、2D、2.5D和3D集成电路封装之间的区别2DIC封装：传统的2DIC封装涉及将单个半导体组件（如芯片）放置在单个平面或层上。特点：在2D封装中，组件通常并排放置在平坦表面上，通过封装基板或印刷电路板（PCB）上的导线或迹线连接。优点：2D封装是成熟、成本效益高且广泛使用的。然而，随着对更小、更强大电子设备的需求增加，它可能在空间效率和性能方面面临限制。2.5DIC封装：在2.5DIC封装中，多个半导体组件仍在同一平面上，但通过使用中介层增加了集成度。中介层：中介层是位于不同半导体组件之间的硅或有机基板。它为连接这些组件提供平台，并可能具有通过硅通孔（TSVs）等附加功能进行垂直连接。优点：与2D封装相比，2.5D封装提供了更好的性能和功率效率。中介层可以启用更高的带宽和更短的互连长度，减少信号延迟和功耗。3DIC封装：3DIC封装涉及将多个半导体组件垂直堆叠在一起，创建芯片的垂直集成。堆叠：通过硅通孔（TSVs）或其他垂直互连实现堆叠，允许堆叠层之间的通信。优点：3D封装在空间效率、性能和功耗方面提供了显著的改进。通过堆叠组件，信号路径可以更短，导致层间通信更快。它还允许多种技术的集成，不同类型的芯片可以堆叠以实现特定功能。总结，主要区别在于垂直集成程度：2DIC封装：组件位于单层平面上。2.5DIC封装：组件在同一平面上，但中介层允许可附加集成。3DIC封装：组件垂直堆叠，实现更高程度的集成，可能提高性能和功率效率。3.4、3D封装的挑战为了提高处理器速度，研究人员和芯片制造商一直在积极追求3DIC（集成电路）架构。这种架构实现了极高的集成度，增强了电气性能并扩展了功能，也有助于实现VLSI（超大规模集成电路）和ULSI（极大规模集成电路）技术。然而，使用3D来提供额外的组件层次由于热耗散增加和不同层次间复杂的电气互连而面临挑战。3DIC架构通过垂直互连组合多个组件，以提高2D芯片的性能。异质/同质核心在单个或多个芯片模块中堆叠。逻辑和存储设备根据系统要求在单个或多个层次上进行集成。TSV（硅通孔）和热通孔在为不同层次间的热和电气通信提供路径方面发挥着关键作用。为了实现3DIC集成，需要几种关键技术，如TSV、晶圆减薄和晶圆/芯片键合。由于其缩短互连路径和减小封装尺寸的优点，TSV被认为是3D集成的核心，为最短的芯片间互连以及最小的焊盘尺寸和互连间距提供了机会。与其他互连技术（如线键合）相比，TSV的优点包括：（a）更好的电气性能；（b）更低的功耗（约80%的降低）；（c）更大的数据宽度和带宽；（d）更高的密度。TSV是一种革命性技术，允许芯片堆叠充分利用三维空间。更重要的是，堆叠技术改善了多芯片连接的电气特性。在堆叠中，线键合也是可选的，但TSV更具吸引力，它能够在芯片的整个厚度上实现电气连接，并在芯片的顶部和底部表面之间开辟最短路径。芯片间较短的连接也意味着较低的功耗和较大的带宽。因此，3DIC集成通常通过TSV和微凸点在z方向上堆叠薄IC芯片，以实现高性能、低功耗、大带宽和小尺寸。其目标市场包括高性能计算、云计算、内存数据库、网络、能源、无线通信、交通、安全、高端服务器等。基于TSV的3D堆叠技术也存在几个挑战：(1)收率。收率可能是一个大问题。3D堆叠通常倾向于集成多个芯片。然而，一个单一芯片的失败将导致整个模块在制造过程中失败。当集成更多的芯片时，这可能导致收率上的重大挑战。例如，当W2W（晶圆到晶圆）键合中的堆叠层数从2增加到8时，整体收率可能下降约40%；(2)键合要求。用于3DIC集成的常见键合方法包括Cu-Cu键合和氧化物-氧化物键合。键合要求非常高，如表面清洁度、表面平整度（即硅绝缘体键合中的表面粗糙度低于1纳米）以及3DIC集成的洁净室等级。(3)热管理。3DIC封装中的热管理也是一个挑战。由于高封装密度，设计中间芯片的热耗散路径可能极具挑战性。(4)测试性和可靠性。由于特征更小和许多内部结构，测试性将是一个挑战。需要进行快速的可靠性评估，以应对结合汽车规模加速测试与随机振动加热冲击/循环的严酷环境。4、我国先进封装的机遇和挑战我国在先进封装领域的机遇和挑战可以从以下几个方面进行分析：机遇：1、市场需求增长：随着电子产品在个人、医疗、家庭、汽车、环境和安防系统等领域的广泛应用，对新型封装技术和封装材料的需求变得愈加迫切。2、技术进步：中国封装企业在先进封装技术上取得了一定的进展，例如长电科技推出的面向3D封装的XDFOI系列产品，体现了在超高密度异构集成解决方案方面的技术实力。3、产业链发展：中国封装行业在半导体产业链中具有较强的竞争力，部分企业如长电科技、通富微电、华天科技等在全球封测市场占有一定份额。4、国产替代：全球贸易摩擦和供应链禁令推动了国内终端设计厂商对上游关键材料国产化的需求，为国内封装材料和设备制造商提供了发展机遇。5、政策支持：中国政府对半导体产业给予了较大的政策支持，包括资金投入、税收优惠等措施，促进了封装技术的发展。挑战：1、