如果我們要用一個詞來形容我們的未來，那就是“以數(shù)據(jù)為中心”。

如今，幾乎每個行業(yè)的各個層面都出現(xiàn)了數(shù)據(jù)爆炸式增長。每一秒，我們的數(shù)字世界都會產(chǎn)生 4,000 TB 的數(shù)據(jù)，而且這個數(shù)量預(yù)計只會在未來增加。

機器學(xué)習(xí)和人工智能等數(shù)據(jù)豐富的應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)中心、5G 和自動駕駛汽車等廣泛應(yīng)用程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)推動因素。要運行這些應(yīng)用程序，需要一個強大的處理器，其基礎(chǔ)是基于 Si 的集成電路 (IC)。

幾十年來，英特爾等 IC 供應(yīng)商設(shè)計的芯片將所有功能都集成在同一芯片上，然而，隨著業(yè)界看到摩爾定律的放緩（芯片密度不再每兩年翻一番），單片 IC 的微縮成為越來越困難和昂貴。這將 IC 供應(yīng)商推向“先進的半導(dǎo)體封裝”。

什么是先進半導(dǎo)體封裝？

資料來源：先進半導(dǎo)體封裝 2023-2033

一般來說，半導(dǎo)體封裝是半導(dǎo)體器件制造和測試的最后兩個步驟。以封裝IC為例，在封裝過程中，IC裸片被封裝在帶有電觸點的支撐殼中。通過這種方式，外殼保護 IC 裸芯片免受物理傷害和腐蝕，并將 IC 連接到 PCB 板和其他設(shè)備。半導(dǎo)體封裝已經(jīng)存在了幾十年——半導(dǎo)體封裝的第一批量產(chǎn)出現(xiàn)在 70 年代初期。那么，什么是新的？

如前所述，由于摩爾定律的放緩和單片 IC 制造成本的顯著增加，IC 供應(yīng)商需要新的方法來設(shè)計處理器，以實現(xiàn)高性能，同時保持成本效益。一種稱為“小芯片”的新設(shè)計是未來的主要趨勢。

chiplets 背后的想法是將單片 IC“拆分”為多個功能塊，將功能塊重組為單獨的 chiplet，然后在封裝級別“重新組裝”它們。理想情況下，基于小芯片設(shè)計的處理器應(yīng)具有與單片 IC 相同或更高的性能，但總生產(chǎn)成本更低。封裝方法，尤其是那些用于連接多個小芯片的封裝方法，在小芯片設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，因為它們會影響整個系統(tǒng)的性能。這些封裝技術(shù)，包括 2.5D IC、3D IC 和高密度扇出晶圓級封裝，被歸類為“先進半導(dǎo)體封裝”。

先進封裝技術(shù)至關(guān)重要

由于摩爾定律的放緩以及單片Si IC開發(fā)和制造成本的上升，先進的半導(dǎo)體封裝技術(shù)至關(guān)重要。最初，元件是在 PCB 板級單獨封裝和集成的，但隨著設(shè)備變得越來越小并且需要更高的處理能力，元件集成需要超越板級。封裝級集成是第一個進步，其次是晶圓級集成，它提供至少高出十倍的連接密度、適合尺寸敏感應(yīng)用的更小尺寸和卓越的性能。

不同公司提供的不同封裝技術(shù)的凸點間距大小。

晶圓級集成包括扇入、核心扇出、高密度扇出、2.5D IC 和 3D IC 封裝技術(shù)。然而，只有那些凸點間距尺寸小于 100 μm 的技術(shù)才被認為是“先進”的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。這包括高密度扇出、2.5D IC 和 3D IC 封裝技術(shù)。

從 2.5D 混合集成到完全 3D 垂直集成的轉(zhuǎn)變對于未來以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用程序至關(guān)重要，在本文中，我們將重點關(guān)注這種轉(zhuǎn)變。

從 2.5D 到 3D 轉(zhuǎn)變的主要挑戰(zhàn)是縮放凸點間距的大小。在 2.5D IC 封裝中，凸點間距尺寸介于 25 μm 和 40 μm 之間，具體取決于中介層材料。然而，對于 3D 堆疊封裝，凸點尺寸必須縮小到個位數(shù) μm，甚至更小到 1 μm 以下。臺積電報告稱，堆疊 N7/N6 芯片的凸點間距為 9 μm，N5 芯片堆疊的凸點間距為 6 μm。對于 N3 芯片堆疊，預(yù)計這將進一步降低至 4.5 μm，并在未來幾代 IC 中繼續(xù)降低。堆疊兩個具有小凸點間距尺寸的芯片是一項重大挑戰(zhàn)，因為必須實現(xiàn)鍵合介電材料的高精度對準，尤其是在低溫下。此外，必須適當(dāng)控制 Cu 填充材料，以防止在鍵合過程中溢出。此外，對于具有小凸塊尺寸的封裝，熱管理成為一個關(guān)鍵問題，這需要考慮能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱傳輸和可能的液體冷卻技術(shù)的封裝設(shè)計。

先進封裝的增長動力

IDTechEx 確定了先進半導(dǎo)體封裝的四個主要應(yīng)用領(lǐng)域：高性能計算 (HPC) 應(yīng)用/數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、自動駕駛汽車和消費電子產(chǎn)品。對數(shù)據(jù)處理不斷增長的需求是這些應(yīng)用領(lǐng)域增長的主要推動力。然而，每種應(yīng)用都有特定的要求，需要不同的先進半導(dǎo)體封裝技術(shù)。

對于 HPC 應(yīng)用程序/數(shù)據(jù)中心，首要任務(wù)是提供卓越的數(shù)據(jù)處理能力，這使得使用 Si 中介層或 Si 橋接器的 2.5DIC 技術(shù)成為首選，盡管它們的成本較高。相比之下，智能手機或智能手表等消費電子產(chǎn)品注重小型化和成本，有機封裝技術(shù)是首選。

在 5G 及以后的通信中，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是傳輸損耗。因此，采用先進的封裝技術(shù)使天線更靠近 RF IC 芯片，從而最大限度地減少傳輸損耗。“封裝天線 (AiP)”是目前 5G 毫米波最可行的選擇，而“芯片/晶圓上天線 (AoP)”仍在緊鑼密鼓地開發(fā)以降低成本。

對于未來的自動駕駛汽車，CPU 和其他組件（例如 HBM 和可靠的電力傳輸系統(tǒng)）的異構(gòu)集成將為先進半導(dǎo)體封裝和創(chuàng)新創(chuàng)造新的機會。

數(shù)據(jù)處理的擴展是所有這些應(yīng)用程序的統(tǒng)一增長因素。然而，由于每個應(yīng)用領(lǐng)域的要求不同，正在使用先進的半導(dǎo)體封裝技術(shù)來滿足特定需求。

編輯：黃飛

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