《先進(jìn)半導(dǎo)體封裝材料及工藝-2023版》

為什么需要先進(jìn)半導(dǎo)體封裝？

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，人類正生活在一個以數(shù)據(jù)為中心的時代。各行各業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不斷攀升，持續(xù)推動對高帶寬計(jì)算的需求增長。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能（AI）等應(yīng)用需要強(qiáng)大的處理能力，因此需要在芯片上更密集地布置晶體管，在封裝中需要更緊湊地互連凸點(diǎn)間距。后者強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體封裝技術(shù)在滿足上述需求時的重要性。在此背景下，英國知名研究公司IDTechEx發(fā)布了這份關(guān)于先進(jìn)半導(dǎo)體封裝材料及工藝的最新研究。

1D到3D半導(dǎo)體封裝

半導(dǎo)體封裝已經(jīng)從板級集成發(fā)展到晶圓級集成，帶來了顯著的進(jìn)步。晶圓級集成提供了優(yōu)于傳統(tǒng)方案的諸多優(yōu)勢，例如：提高了互連密度，為尺寸敏感應(yīng)用提供了更小的占位面積，同時還增強(qiáng)了性能。

目前，包括2.5D IC、3D IC和高密度扇出晶圓級封裝等封裝技術(shù)，被歸類為“先進(jìn)半導(dǎo)體封裝”，其特點(diǎn)是凸點(diǎn)間距低于100 μm，能夠?qū)崿F(xiàn)至少10倍的更高互連密度以及更高的集成能力。

帶寬是關(guān)鍵

從封裝的角度來看，要提高帶寬，需要考慮兩個關(guān)鍵因素：I/O（輸入/輸出）總數(shù)和每個I/O的比特率。增加I/O總數(shù)需要在每個布線層/再分布層（RDL）中實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的線寬/間距（L/S），并具有更高數(shù)量的布線層。另一方面，提高每I/O比特率受到芯粒（chiplets）之間互連距離和介質(zhì)材料選擇的影響。這些因素直接影響著封裝系統(tǒng)的整體性能和效率。

影響封裝模塊帶寬的關(guān)鍵因素

釋放高帶寬：探索先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的材料和工藝

從材料和工藝角度深入研究如何實(shí)現(xiàn)更高的布線密度和每I/O比特率，揭示了介質(zhì)材料選擇和適當(dāng)工藝技術(shù)所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。這些因素對封裝系統(tǒng)的整體性能和功能具有重大影響。

電互連：SiO2 vs. 有機(jī)介質(zhì)

選擇合適的介質(zhì)材料至關(guān)重要，需要考量低介電常數(shù)、最佳CTE（盡可能接近Cu的CTE）等特性，以及確保模塊可靠性的有利機(jī)械特性（例如楊氏模量和延伸率等）。這些選擇可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，同時保持信號完整性，并有助于更精細(xì)的線寬/間距以提高布線密度。

在GPU等高性能加速器中，SiO2等無機(jī)介質(zhì)已被廣泛用于實(shí)現(xiàn)超精細(xì)線寬/間距。然而，由于它們的高RC延遲，在需要高速連接的應(yīng)用中受到限制。作為一種替代方案，有機(jī)介質(zhì)因其成本效益，以及通過低介電常數(shù)減輕RC延遲而獲得關(guān)注。不過，有機(jī)介質(zhì)仍存在挑戰(zhàn)，包括可能對器件可靠性帶來負(fù)面影響的高CTE，以及線寬/間距難以擴(kuò)展等。

除了選擇合適的材料，封裝制造過程中采用的工藝技術(shù)在實(shí)現(xiàn)更高數(shù)量I/O以及提高I/O比特率方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2.5D封裝工藝中涉及的步驟（光刻、CMP、蝕刻工藝等），以及3D Cu-Cu混合鍵合中的CMP和鍵合工藝，在實(shí)現(xiàn)更緊密布線和增加布線密度等方面提出了挑戰(zhàn)。IDTechEx在這份報(bào)告中提供了有關(guān)材料選擇如何影響制造工藝的詳細(xì)見解，幫助用戶全面了解它們對先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的影響。

本報(bào)告覆蓋了哪些材料和技術(shù)？

報(bào)告研究覆蓋的案例

本報(bào)告主要可分為四個部分，提供了理解先進(jìn)半導(dǎo)體封裝材料和工藝的結(jié)構(gòu)化方法。報(bào)告第一部分全面介紹了先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的技術(shù)、發(fā)展趨勢、關(guān)鍵應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)，為用戶提供了堅(jiān)實(shí)的概述知識。

第二部分重點(diǎn)介紹了2.5D封裝工藝，深入研究了RDL和微孔介質(zhì)材料、RDL制造技術(shù)以及EMC和MUF材料選擇等關(guān)鍵技術(shù)。本部分中的每個小章節(jié)都詳細(xì)分析了工藝流程、技術(shù)對標(biāo)、廠商評估以及未來趨勢，為用戶提供了全面的見解。

EMC材料關(guān)鍵考量參數(shù)

EMC材料供應(yīng)鏈（樣刊模糊化）

關(guān)于2.5D封裝的討論繼續(xù)到第三部分，重點(diǎn)聚焦了用于3D芯片堆疊的創(chuàng)新Cu-Cu混合鍵合技術(shù)。本章節(jié)提供了對制造工藝的深入研究，并為實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果提供了材料選擇指南。報(bào)告還展示了很多案例研究，重點(diǎn)介紹了使用有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)成功實(shí)現(xiàn)Cu-Cu混合鍵合的案例。

有機(jī)介質(zhì)先進(jìn)半導(dǎo)體封裝模塊10年期市場預(yù)測

此外，本報(bào)告在最后一部分提供了有機(jī)介質(zhì)先進(jìn)半導(dǎo)體封裝模塊的10年期市場預(yù)測，對未來預(yù)期的市場增長和趨勢提供了重要展望。