影響芯片封裝的少數(shù)關(guān)鍵技術(shù)

談到芯片封裝對(duì)載板及電子制造服務(wù)商(EMS)的影響時(shí)，重點(diǎn)主要集中在大封裝和極高I數(shù)、O數(shù)、精細(xì)間距元器件；在大多數(shù)情況下確實(shí)如此。然而，目前的幾種封裝趨勢(shì)為簡(jiǎn)化印制電路板(PCB)及EMS供應(yīng)鏈生產(chǎn)進(jìn)而降低成本提供了新的途徑。

少數(shù)關(guān)鍵技術(shù)支持著這些發(fā)展。貫穿硅通孔(Through silicon vias，TSV)的起源可以追溯到晶體管的發(fā)明，可在20世紀(jì)80年代的超級(jí)計(jì)算機(jī)中找到這類(lèi)晶體管。但在2005年至2010年之間，它才真正進(jìn)入了批量制造領(lǐng)域。從那時(shí)起，過(guò)程控制和良率的快速發(fā)展導(dǎo)致了極高密度存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)。TSV現(xiàn)在被證明是chiplet芯片架構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵支持技術(shù)。

第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是硅及玻璃載板的發(fā)展。硅載板在20世紀(jì)90年代以一種重要的方式進(jìn)入人們的視野，直到最近，對(duì)于除最深?yuàn)W的應(yīng)用之外，硅載板的成本都太高。

2008~2010年充斥市場(chǎng)的舊制程制造設(shè)備的可用性為價(jià)格更合理的硅載板打開(kāi)了大門(mén)，并為目前的chiplet架構(gòu)提供了一條簡(jiǎn)單的路徑，特別是對(duì)于大型IC OEM而言。

在Georgia Tech Packaging Research Center廣泛研究推動(dòng)下，玻璃載板可以更低的成本提供與硅載板相當(dāng)?shù)母卟季€能力。玻璃和硅芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)之間的兼容性實(shí)現(xiàn)了高度可靠的chiplet或SiP應(yīng)用中的多芯片組件。

最后，鍵合和互連的發(fā)展極大地促進(jìn)了采用TSV及極高密度載板的組裝。2012年，TechLead首次開(kāi)發(fā)并展示了納米鍵合，一種32微米間距的極高密度芯片間互連方法。IBM蘇黎世公司從2013年開(kāi)始繼續(xù)這項(xiàng)研究，將納米銅用于PCB組裝。在東京大學(xué)，Tadatomo Suga Sensei位于表面活化鍵合技術(shù)的前沿，該技術(shù)從晶圓到晶圓鍵合再到chiplet組裝，找到一席之地。

考慮到TSV和玻璃封裝載板、硅封裝載板從實(shí)驗(yàn)室向主流制造能力轉(zhuǎn)變的影響，再加上創(chuàng)新芯片連接技術(shù)的出現(xiàn)，如納米鍵合和表面活化鍵合，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)回流焊組裝的不足，其可能性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這些技術(shù)一起實(shí)現(xiàn)了chiplet架構(gòu)，并擴(kuò)展了系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)選項(xiàng)，如混合芯片技術(shù)。

chiplet允許半導(dǎo)體工廠進(jìn)行更復(fù)雜的元器件設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)結(jié)合了針對(duì)其每種應(yīng)用的最佳IC制造技術(shù)。例如，通過(guò)將邏輯、存儲(chǔ)器和電源分布分離到單個(gè)chiplet，設(shè)計(jì)師利用布局和制造技術(shù)來(lái)提高小型化及性能。熱量管理能力的額外提高，加上TSV和玻璃載板、Si載板的極細(xì)線寬、線距能力的組合所實(shí)現(xiàn)的超高布線密度，減少了PCB所看到的總引腳數(shù)（以及通常的I密度、O密度）。顯然，這大大簡(jiǎn)化了PCB組裝，提高了良率。

chiplet還促進(jìn)了“門(mén)陣列”思維，以及在這些元器件中實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)功能。元器件設(shè)計(jì)師不局限于內(nèi)部的chiplet，而是可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)元器件的最佳設(shè)計(jì)和制造，以進(jìn)一步優(yōu)化整體功能和性能。不僅內(nèi)部資源需求（如設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等）大幅減少，而且大幅縮短關(guān)鍵的上市時(shí)間。

當(dāng)然，已知良好晶片(KGD)問(wèn)題仍然是障礙，但在過(guò)去30年取得的重大進(jìn)展在大多數(shù)情況下將這種擔(dān)憂降低到了可控制的水平。行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化努力旨在實(shí)現(xiàn)并穩(wěn)定這些機(jī)會(huì)。

那么，作為chiplet架構(gòu)的母體，SiP起什么作用？許多應(yīng)用需要混合器件類(lèi)型，如GaAs、SiC、InP等，以提供更專(zhuān)門(mén)的功能，而這些功能仍然難以用chiplet設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。SiP仍然是更復(fù)雜和、或特定應(yīng)用的首選方法，在這些應(yīng)用中，特定要求或功能不能保證chiplet設(shè)計(jì)所需的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施投資。

SiP還可以作為未來(lái)chiplet元器件開(kāi)發(fā)的原型平臺(tái)。對(duì)SiP中的應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)可以為在下一代產(chǎn)品中成功實(shí)施chiplet指明道路。

然而，將SiP視為chiplet的先驅(qū)，掩蓋了其自身的主要作用。適當(dāng)利用支持chiplet架構(gòu)的相同技術(shù)，擴(kuò)展了SiP在許多不同方向和領(lǐng)域的適用性。通過(guò)使用玻璃載板，SiP利用了相同的布線密度優(yōu)勢(shì)，從而提高了熱量管理能力、實(shí)現(xiàn)了較低的I數(shù)、O數(shù)及較大的I間距、O間距，再次簡(jiǎn)化了PWB組裝并提高了良率。

SiP非常適合于使用任何制造技術(shù)和、或供應(yīng)商提供的基本上現(xiàn)成的芯片設(shè)計(jì)快速創(chuàng)建定制應(yīng)用，在上市時(shí)間和快速修訂方面，SiP仍然是首選，例如，SiP的存儲(chǔ)器縮小可能甚至不需要載板重新布局，而對(duì)于chiplet架構(gòu)，至少可以這么說(shuō)，重新布局仍然是重大挑戰(zhàn)。

其他SiP優(yōu)點(diǎn)包括SiP載板及晶片連接、晶片互連材料選擇的多樣性。例如，向下孔應(yīng)用可以在與AuSi或AuSn結(jié)合的高溫載板上酌情采用SiC器件技術(shù)。對(duì)于植入式醫(yī)療產(chǎn)品，SiP可包含大量無(wú)源元器件，以允許單個(gè)SiP結(jié)構(gòu)中完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電子功能。

那么，這些技術(shù)發(fā)展會(huì)產(chǎn)生什么影響，特別是對(duì)PCB和EMS行業(yè)領(lǐng)域的影響？答案當(dāng)然是“根據(jù)具體情況而定”。

對(duì)于大型PCB的制造商來(lái)說(shuō)，由于更大的幾何結(jié)構(gòu)（線寬、線距）和封裝組件內(nèi)電路整合所需的層數(shù)更少，可能意味著成本更低、良率更高、附加值更小。

對(duì)采用這類(lèi)PCB進(jìn)行生產(chǎn)的EMS供應(yīng)商的影響類(lèi)似。然而，由于對(duì)這些更有價(jià)值和更敏感元器件的處理要求，EMS公司可能會(huì)保留一些附加值。

供應(yīng)鏈中更專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域，如封裝載板供應(yīng)商和外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試公司(outsourced semiconductor assembly and test，OSAT)，受益于對(duì)其更專(zhuān)業(yè)能力的需求增加，產(chǎn)量會(huì)增加。

盡管PCB組件(SiP的先驅(qū))和混合電路(chiplet的先驅(qū))在預(yù)測(cè)的消亡期后仍繼續(xù)蓬勃發(fā)展，但基于SiP及chiplet的元器件將以本文描述的方式以及許多尚未預(yù)見(jiàn)的方式徹底改變電子產(chǎn)品。

預(yù)計(jì)在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全、移動(dòng)通信和軍事、航空航天領(lǐng)域等高可靠性領(lǐng)域，將加速增長(zhǎng)。每個(gè)領(lǐng)域都有特有的挑戰(zhàn)，但這些方法均可很好地應(yīng)對(duì)。

編輯：黃飛

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