未來的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝材料與工藝

我們?yōu)槭裁葱枰冗M(jìn)半導(dǎo)體封裝？因為我們生活在一個以數(shù)據(jù)為中心的世界，各個行業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不斷增長，越來越多地推動了對高帶寬計算的需求。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，因此需要在芯片上密集放置晶體管，并在封裝中緊湊地互連凸點間距。

如今，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)方法的優(yōu)勢，例如提高了連接密度，為尺寸敏感的應(yīng)用提供了更小的占位面積，同時增強(qiáng)了性能。

先進(jìn)半導(dǎo)體封裝包括高密度扇出、2.5D和3D封裝，其特點是凸點間距低于100μm，可實現(xiàn)至少10倍的互連密度。我們從IDTechEx的《2024-2034先進(jìn)半導(dǎo)體封裝材料與工藝》報告中發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)先進(jìn)半導(dǎo)體封裝有一些必須關(guān)注的關(guān)鍵詞：xD封裝、帶寬、介電材料、RDL、Cu-Cu混合鍵合等，我們來看看它們到底代表什么。

xD：從1D到3D半導(dǎo)體封裝

1D屬于板級集成，是將采用不同封裝技術(shù)的芯片組裝在PCB板上。

2D是封裝級集成，在統(tǒng)一的基板上集成不同的封裝/組件、多芯片模塊（MCM）、封裝上封裝（PoP）等。

2D增強(qiáng)型（2.1D–2.5D）是晶圓級集成（也包括3D），采用有機(jī)基板，包括在有機(jī)中介層/再分配層（RDL）上集成管芯，并封裝在一體化基板上；另一種是硅基，是在硅中介層或硅橋上集成管芯，并封裝在一體化基板上。

3D是將不同的管芯集成在一起，并封裝在一體化基板上。

從1D到3D半導(dǎo)體封裝的演進(jìn)

從1D到3D半導(dǎo)體封裝，互連密度、應(yīng)用水平、成本、工藝挑戰(zhàn)從低到高逐步演進(jìn)。

滿足帶寬要求是關(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）的總數(shù)和每個I/O的比特率。增加I/O的總數(shù)需要在每個布線層/重新分布層（RDL）中實現(xiàn)更精細(xì)的線寬/間距（L/S）模式，并具有更高數(shù)量的布線層。

另一方面，提高每個I/O的比特率會受到小芯片（chiplet）之間的互連距離和介電材料選擇的影響。這些因素將直接影響封裝系統(tǒng)的整體性能和效率。因此，釋放高帶寬，就要探索先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的材料和工藝。

影響封裝模塊帶寬的關(guān)鍵因素

（來源：IDTechEx）

有機(jī)介電材料浮出水面迎來機(jī)遇

從材料和工藝的角度看，深入研究實現(xiàn)更高布線密度和更高每I/O比特率，就要揭示介電材料的選擇和適當(dāng)工藝技術(shù)的使用所起的關(guān)鍵作用。這些因素對封裝系統(tǒng)的整體性能和能力都有重大影響。

電子互連：SiO2與有機(jī)介電材料。來源：IDTechEx

當(dāng)前，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝中主要使用兩種最常見的RDL制造工藝：

一是后道工藝（BEOL），介電材料為SiO2（Dk（介電常數(shù)）=3.9），L/S導(dǎo)電部件（feature）為亞微米，用于晶圓級封裝級別。這種方法成本較高，電阻和電容更高，導(dǎo)致輸入和輸出之間的RC時間常數(shù)延遲較高，挑戰(zhàn)在于滿足帶寬要求。

二是半加成工藝（SAP），采用有機(jī)介電材料（理想情況下Dk＜3），L/S導(dǎo)電部件HVM（大批量生產(chǎn)）為5-6μm，研究現(xiàn)狀為1-2μm，用于面板級或晶圓級封裝級別。

其挑戰(zhàn)在于，低Dk聚合物通常具有高熱膨脹系數(shù)（CTE），會對器件可靠性和封裝架構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響；由于厚介電材料和核（core）封裝基板尺寸穩(wěn)定性差，擴(kuò)展到精細(xì)導(dǎo)電部件變得具有挑戰(zhàn)性；銅與低k介電材料的粘附變得困難，尤其是當(dāng)導(dǎo)電部件之間的間距更細(xì)時；薄介電膜增加了微孔的縱橫比，導(dǎo)致微孔/焊盤界面的應(yīng)力變得更高，可能導(dǎo)致銅破裂。

因此，為了確保封裝可靠性，介電材料應(yīng)具有與銅金屬層類似的CTE，而使用SiO2填料，無助于降低Dk值，因為它需要以高體積/重量（%）加載；此外，用作積層的聚合物介電材料中存在的填料可能阻礙微孔的縮放。

選擇電子互連材料時應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素

考慮到低Dk、最佳CTE（盡可能接近Cu的CTE），以及確保模塊可靠性的機(jī)械特性（如楊氏模量（GPa）和伸長率）等特性，選擇合適的介電材料至關(guān)重要。這些選擇可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，同時保持信號完整性，并有助于提高布線密度的L/S導(dǎo)電部件。

在GPU等高性能加速器中，SiO2等無機(jī)介電材料已被廣泛用于實現(xiàn)L/S導(dǎo)電部件。然而，由于其具有的高RC延遲，在需要高速連接應(yīng)用中的使用受到限制。作為一種替代方案，有機(jī)介電材料因其成本效益及其低Dk減輕RC延遲的能力而浮出水面。不過，有機(jī)介電材料也存在挑戰(zhàn)，包括可能對器件可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響的高CTE，以及難以擴(kuò)展到精細(xì)L/S導(dǎo)電部件。

下一代2.5D扇出封裝用有機(jī)RDL材料的關(guān)鍵參數(shù)

以扇出封裝為例，看看介電材料遇到的挑戰(zhàn)。先進(jìn)封裝中的扇出型（Fan Out）封裝是指在晶圓級/面板級封裝中的封裝面積與管芯不一樣，且不需要基板的封裝，以實現(xiàn)更輕薄、更多的I/O接口和更好的電性能。

扇出型封裝的核心是通過RDL替代傳統(tǒng)封裝中基板傳輸信號的作用，去掉基板可以使芯片成品的高度降低，同時降低成本。另外，由于扇出型封裝的封裝面積沒有那么多限制，整個封裝設(shè)計也變得更加靈活。

扇出封裝中的介電材料挑戰(zhàn)首先是低溫固化，包括存儲器芯片在內(nèi)的下一代扇出晶圓級封裝（FO-WLP）器件需要更低的翹曲和更高的良率。然而，F(xiàn)O-WLP中當(dāng)前使用的聚酰亞胺（PI）或聚苯并惡唑（PBO）材料的固化溫度范圍為200℃-230℃，限制了其應(yīng)用。重構(gòu)過程中使用的模塑化合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）通常為150℃-170℃，也限制了固化溫度范圍。因此，有必要重新設(shè)計PI和PBO材料，以實現(xiàn)低于200℃的固化溫度，從而在未來的FO-WLP應(yīng)用中提高性能和效率。

其次是固化膜厚度，對于Dk等于或低于3的材料，為了實現(xiàn)目標(biāo)的2/2μm L/S寬度，必須有大約1μm的介電厚度。其他方面的要求包括高光刻分辨率、側(cè)壁形狀等。

為3D封裝而生的Cu-Cu混合鍵合技術(shù)

在傳統(tǒng)倒裝焊工藝中，無鉛焊料和銅在230℃左右熔化，形成穩(wěn)定的接點，并在接點之間形成底部填充物，以提高其機(jī)械性能。然而，當(dāng)觸點間距減小到大約10μm時，就會出現(xiàn)幾個問題。例如，焊球尺寸減小使其易于完全反應(yīng)并形成金屬間化合物（IMC）點，反過來降低了IMC觸點的導(dǎo)電值和機(jī)械性能。

此外，如果觸點間隙太小，可能會接觸相鄰的焊球，從而在回流過程中導(dǎo)致橋接故障和芯片故障。盡管可以進(jìn)行縮放，但焊料和IMC電阻率大約是銅的十倍，這使其不適合高性能組件封裝。

為了解決倒裝焊的局限性，提出了Cu-Cu混合鍵合技術(shù)。這項技術(shù)是在介電材料之間嵌入金屬觸點，并使用銅原子的固態(tài)擴(kuò)散熱處理將材料連接在一起，以消除焊接時遇到的橋接問題。銅工藝是半導(dǎo)體行業(yè)中公認(rèn)的技術(shù)，允許小于1μm的觸點間距。

這種異質(zhì)連接具有優(yōu)于倒裝芯片技術(shù)的優(yōu)點：超細(xì)間距和小觸點尺寸，有助于實現(xiàn)高I/O數(shù)；使用介電材料代替底部填充物，可以降低成本；與倒裝芯片技術(shù)中10μm-30μm厚度的焊球相比幾乎沒有厚度。

幾種鍵合技術(shù)的比較

3D SoIC工藝流程深探

單線集成電路小輪廓封裝（SoIC）是一種表面安裝器件封裝，已在IC生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。它采用直線引腳排布形式，芯片采用矩形形式，可增強(qiáng)IC器件厚度。其特點是小型而可靠，因此能夠滿足廣泛應(yīng)用要求，適用于高靈敏度、復(fù)雜性和速度較高的芯片設(shè)計。此外，SoIC還具有核心接觸部分采用金屬、IC溫控性能更好、壽命更長，以及端口數(shù)量較少、互連比較簡單等優(yōu)點。

3D SoIC的制作步驟

臺積電將其3D封裝技術(shù)稱為系統(tǒng)集成芯片或SoIC。在產(chǎn)品發(fā)展方面，業(yè)界對將前端3D堆疊SoIC配置與2.5D后端RDL和組裝相結(jié)合的興趣越來越大。臺積電認(rèn)為，3D SoIC有望成為2nm時代后的關(guān)鍵。

通常，3D SoIC的第一層是具有通孔和襯底的晶圓，可以是有源或無源器件。晶圓上的芯片可以是I/O、計算、中介層、DTC中介層、IVR芯片或其他類型芯片。晶圓正面形成的互連結(jié)構(gòu)包括多層介電材料以及介電層內(nèi)形成的金屬線和通孔。導(dǎo)電部件通常由銅或銅合金制成，使用鑲嵌工藝形成。介電層可以由低k材料制成，例如k值低于3.0的含碳低k介電材料、氫倍半硅氧烷（HSQ）或甲基倍半硅氧烷。多孔介電層可以通過沉積含有致孔劑的介電材料并使其固化來形成。

在由硅或III-V族化合物半導(dǎo)體材料等制成的襯底中，通孔被介電環(huán)境包圍，且由銅或鋁等導(dǎo)電材料制成，延伸到襯底內(nèi)的中間。為了露出通孔，需要進(jìn)行背面研磨，以去除一部分襯底。通過蝕刻，襯底可以稍微凹陷，以允許通孔從襯底后表面突出。之后，沉積介電層（介電層A），再進(jìn)行CMP工藝或機(jī)械研磨等平坦化工藝，以重新暴露通孔。

根據(jù)情況，介電層可以由氧化硅、氮化硅等形成。在重新暴露通孔后，沉積第二介電層（介電層B）。介電層B可以由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅或硅酸鹽玻璃之類的材料制成。與之前的介電層相比，為該層選擇不同的材料可以防止蝕刻穿過它。之后，使用光刻工藝在該層中形成通孔開口。

封裝中的聚合物介電材料至關(guān)重要

隨著5G和AI等新興市場和應(yīng)用對設(shè)備性能的要求越來越高，聚合物介電材料在先進(jìn)封裝中的作用也在不斷增強(qiáng)，已成為高性能先進(jìn)封裝的重要防線。應(yīng)用于高速/高頻（HS/HF）應(yīng)用的許多設(shè)備的低損耗聚合物材料，必須能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)提供較低的電損耗，并在較寬的熱、濕度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

聚合物材料具有保護(hù)芯片免受損壞的關(guān)鍵作用，并為各種環(huán)境提供良好的性能。性能優(yōu)異的聚合物材料具有高斷裂韌性和良好的拉伸強(qiáng)度，可以在多層封裝過程中將應(yīng)力降至最低，保證封裝在跌落、熱循環(huán)和翹曲等惡劣條件下仍然有效。

楊氏模量對總應(yīng)變范圍有很大的影響，對于直徑＜5μm的可靠微孔設(shè)計，使用低模量聚合物材料至關(guān)重要，因為低模量有助于最大限度地減少施加在銅上的應(yīng)力，從而提高整體可靠性。

聚合物的吸濕性同樣對系統(tǒng)的長期可靠性至關(guān)重要，因為濕度會導(dǎo)致分層并影響機(jī)械和電氣性能。材料吸濕率應(yīng)盡可能低，最好＜0.2 wt.%。

選擇合適的聚合物材料取決于技術(shù)性能、功能要求和成本。以Amkor的聚酰亞胺為例，其Dk為3.0-3.6，L/S為2μm/2μm，4-6層RDL（需要4層RDL或HBM總線），每層6μm。

低損耗特性可以使高頻通信設(shè)備中的傳輸損耗最小化。選擇具有低Dk的RDL材料的主要原因是它們能夠在不損害信號完整性的情況下支持更高的數(shù)據(jù)速率。為了在管芯到管芯通信中實現(xiàn)高帶寬密度和低每比特能量（EPB），有必要在管芯和具有低Dk的材料之間使用較短的導(dǎo)線來減少導(dǎo)線電容。

預(yù)測：有機(jī)模塊將成為先進(jìn)半導(dǎo)體封裝模塊主流

采用有機(jī)介電材料的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝模塊主要應(yīng)用于高性能計算（HPC）和消費電子產(chǎn)品兩個領(lǐng)域，包括智能手機(jī)、智能手表、平板電腦、個人電腦、汽車等。

從封裝單元來看，消費電子產(chǎn)品顯然占據(jù)了主導(dǎo)地位，主要是由于智能手機(jī)銷量巨大。不過，從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)考慮每個封裝模塊的面積時，預(yù)計高性能計算領(lǐng)域?qū)⑥D(zhuǎn)向使用有機(jī)模塊的方向。

這種轉(zhuǎn)變是由幾個因素驅(qū)動的，首先，對增強(qiáng)計算能力日益增長的需求需要降低組件成本，而有機(jī)材料已證明了其在保持成本效益的同時提供高帶寬的能力。其次，高性能計算組件（如數(shù)據(jù)加速器）的模塊面積要比消費設(shè)備的模塊面積大得多，因此，封裝模塊領(lǐng)域的增長趨勢在高性能計算領(lǐng)域更為顯著。

總之，為了實現(xiàn)先進(jìn)封裝，除了選擇合適的材料外，封裝制造過程中采用的工藝技術(shù)在實現(xiàn)更高數(shù)量I/O和提高每個I/O比特率方面將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。先進(jìn)封裝工藝中涉及的步驟包括光刻、CMP（化學(xué)機(jī)械平面化）、蝕刻工藝以及3D Cu-Cu混合鍵合中的CMP和鍵合工藝，目的是不斷增加布線和提升布線密度。