先進半導(dǎo)體封裝技術(shù)趨勢：2.5D和3D深度解析

半導(dǎo)體封裝技術(shù)已經(jīng)從最初的1D PCB水平發(fā)展到最尖端的3D混合鍵合封裝技術(shù)在晶圓級別。這一進步實現(xiàn)了一位數(shù)微米的互連間距，以高能效實現(xiàn)超過1000 GB/s的帶寬。

四個關(guān)鍵參數(shù)塑造了先進半導(dǎo)體封裝：功耗、性能、面積和成本：

• 功耗：通過創(chuàng)新的封裝技術(shù)提高功耗效率。

• 性能：通過縮短互連間距以增加輸入/輸出（I/O）點，提高帶寬并減少通信長度，從而提高性能。

• 面積：在用于高性能計算領(lǐng)域的芯片中需要較大的封裝面積，而在3D集成中需要較小的z形狀因子。

• 成本：通過采用替代材料或提高制造設(shè)備效率，持續(xù)降低封裝成本。

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2.5D和3D封裝技術(shù)包括各種封裝技術(shù)。

在2.5D封裝中，互聯(lián)墊的選擇將其分為基于硅、基于有機和基于玻璃的互聯(lián)墊，如上圖所示。與此同時，在3D封裝中，微球技術(shù)的演進旨在實現(xiàn)更小的間距尺寸。然而，通過采用混合鍵合技術(shù)，即直接連接Cu-Cu，實現(xiàn)了今天一位數(shù)間距尺寸的可能性，這標(biāo)志著該領(lǐng)域的重大進展。

每種2.5D和3D配置中每種封裝類型的優(yōu)勢和缺點：

2.5D

硅：在這個類別中有兩種選擇：使用完整的無源硅晶片的硅互聯(lián)墊，和Si橋，它可以采用基于風(fēng)扇外的模壓化合物或基于具有腔的基板的局部Si橋的形式。硅互聯(lián)墊通常用于高性能計算集成的2.5D封裝，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)最精細的路由特征，但在材料和制造方面與有機材料等替代方案相比成本較高，并且存在封裝面積限制的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，局部Si橋形式正在嶄露頭角，戰(zhàn)略性地利用Si在精細特征至關(guān)重要的情況。此外，Si橋結(jié)構(gòu)有望在Si互聯(lián)墊在面積上受到限制的情況下得到更廣泛的應(yīng)用，超越4x或5x遮光板的限制。

有機：在報告中，我們特別考慮了使用風(fēng)扇外模壓化合物而不是有機基板的有機封裝。有機材料具有將它們的介電常數(shù)調(diào)整到低于硅的能力，有助于降低封裝中的RC延遲。此外，與硅相比，這些材料是一種更經(jīng)濟的替代品。這些優(yōu)勢推動了有機2.5D封裝的出現(xiàn)。然而，一個關(guān)鍵的缺點在于實現(xiàn)與Si基封裝相同水平的互連特征減小所面臨的挑戰(zhàn)。

玻璃：玻璃基方法在英特爾今年早些時候推出其基于玻璃的測試車載封裝后引起了極大的關(guān)注。玻璃具有可調(diào)的熱膨脹系數(shù)、高維度穩(wěn)定性和平滑、平坦的表面等有利特性。這些特性使玻璃成為一種有望成為互聯(lián)墊的有力候選，其路由特征有望與硅媲美。然而，玻璃的主要缺點在于其生態(tài)系統(tǒng)不成熟，以及在封裝行業(yè)中目前缺乏大規(guī)模的量產(chǎn)能力。盡管如此，隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟和生產(chǎn)能力的提高，半導(dǎo)體封裝中玻璃基技術(shù)的應(yīng)用可能會進一步增長。

3D

微球：基于熱壓縮鍵合（TCB）工藝的成熟微球技術(shù)在各種產(chǎn)品中擁有長期存在。其路線圖包括不斷縮小凸點間距。然而，在這一過程中，由于較小的錫球尺寸導(dǎo)致插層化合物（IMCs）形成增加，電導(dǎo)率和機械性能降低。此外，接觸間隙過小可能導(dǎo)致錫球橋接，從而在回流過程中導(dǎo)致芯片故障。由于錫和IMCs的電阻率高于銅，它們在高性能組件封裝中的使用受到限制。

混合鍵合：混合鍵合涉及通過將介電材料（SiO2）與嵌入的金屬（Cu）結(jié)合來創(chuàng)建永久性互聯(lián)。由于Cu-Cu混合鍵合的間距可達到10微米以下（通常在一位數(shù)微米左右），其優(yōu)勢包括擴展的I/O、增加的帶寬、增強的3D垂直堆疊、提高的功耗效率以及由于無需填充而減少的寄生電阻和熱阻。挑戰(zhàn)包括與這種先進技術(shù)相關(guān)的制造復(fù)雜性和較高的成本。

IDTechEx的新報告，“Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications”，深入探討了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的最新創(chuàng)新，涵蓋了關(guān)鍵技術(shù)趨勢、分析價值鏈、評估主要參與者，并提供了詳細的市場預(yù)測。

該報告認(rèn)識到先進半導(dǎo)體封裝作為下一代IC的基礎(chǔ)的關(guān)鍵作用。它關(guān)注于其在關(guān)鍵市場（如人工智能和數(shù)據(jù)中心、5G、自動駕駛汽車和消費電子）中的應(yīng)用。借助IDTechEx在這些領(lǐng)域的專業(yè)知識，該報告全面了解半導(dǎo)體封裝技術(shù)在這些關(guān)鍵領(lǐng)域中的影響和未來軌跡。