半导体行业先进封装技术概述

引言

半导体行业正在快速发展，对更强大、高效和紧凑的电子设备的需求不断增长。先进封装技术在满足这些需求方面发挥着重要作用，它能够实现更高的性能、改进的功能和更小的尺寸。本文概述了各种先进封装技术、其应用及其发展的驱动力。
半导体应用和系统技术驱动因素

半导体行业已确定五大增长引擎或应用：

1、移动设备（智能手机、笔记本电脑、智能手表、可穿戴设备、平板电脑）

2、高性能计算（HPC）

3、自动驾驶汽车

4、物联网（IoT）

5、大数据（云计算）和即时数据（边缘计算）

这些应用主要由两个关键系统技术驱动因素推动：

1、人工智能（AI）

2、5G技术

AI需要高性能计算基础设施，如数据中心和超级计算机。AI应用所需的硬件组件包括CPU、GPU、FPGA、内存、服务器和交换机。 

5G技术分为两大类：

1、中频段（Sub-6 GHz 5G）：900 MHz < 频率 < 6 GHz，数据速率 ≤ 1 Gbps

2、高频段（5G毫米波）：24 GHz ≤ 频率 ≤ 100 GHz， 1 Gbps < 数据速率 ≤ 10 Gbps 

先进封装技术

为满足这些应用和驱动因素的要求，开发了各种先进封装技术。这些可以大致分为几个类别：
1、2D集成：

- 2D扇出（芯片先行）IC集成

- 2D倒装芯片IC集成

- 封装叠加（PoP）

- 系统级封装（SiP）或异构集成

- 2D扇出（芯片后置）IC集成
2、 2.1D集成：

- 2.1D倒装芯片IC集成

- 带桥接的2.1D倒装芯片IC集成

- 带桥接的2.1D扇出IC集成
3、2.3D集成：

- 2.3D扇出（芯片先行）IC集成

- 2.3D倒装芯片IC集成

- 2.3D扇出（芯片后置）IC集成
4、 2.5D集成：

- 2.5D（C4焊球）IC集成

- 2.5D（C2微凸点）IC集成
5、3D集成：

- 微凸点3D IC集成

- 微凸点Chiplet 3D IC集成

- 无凸点3D IC集成

- 无凸点Chiplet 3D IC集成 

让我们更详细地探讨一些这些先进封装技术：

2D扇出（芯片先行）IC集成：

这种技术涉及将多个芯片嵌入环氧模塑料（EMC）中，然后扇出重分布层（RDL）以连接到焊球。这种方法允许更高的集成密度和改进的电气性能。 

2D倒装芯片IC集成：

在这种技术中，芯片被翻转并使用C4（受控塌陷芯片连接）凸点或C2（芯片连接）凸点附着到构建封装基板上。通常在芯片和封装基板之间使用底填以提高可靠性。

 
封装叠加（PoP）和系统级封装（SiP）：

PoP技术涉及将多个封装堆叠在一起，通常结合逻辑和存储组件。SiP技术将多个芯片和分立组件集成到单个封装基板中。 

2.1D倒装芯片IC集成：

这种技术在构建封装基板顶部具有薄膜层。这些薄膜层的金属线宽和间距可以小到2/2 μm，支持带有微凸点的倒装芯片。

带桥接的2.1D倒装芯片IC集成：

这种技术，以英特尔的EMIB（嵌入式多芯片互连桥）为例，在构建封装基板的顶层嵌入一个桥，以支持倒装芯片之间的横向通信。旨在替代TSV（硅通孔）中间层技术。 

2.3D扇出（芯片先行）IC集成：

这种技术用扇出RDL中间层替代了TSV中间层、微凸点和底填。与传统的2D扇出技术相比，它提供了改进的性能和集成密度。

2.5D（C2凸点）IC集成：

在这种技术中，诸如GPU和高带宽存储器（HBM）等组件使用C2微凸点附着到无源TSV中间层上。然后整个模块使用C4凸点连接到封装基板。

微凸点3D IC集成：

这种技术涉及垂直堆叠多个芯片并使用微凸点和TSV连接它们。顶部芯片使用微凸点连接到底部芯片（带有TSV），整个模块使用C4凸点附着到封装基板上。

无凸点3D IC集成：

无凸点3D IC集成，也称为混合键合，可实现芯片之间更细的间距连接。这种技术可以实现小至10 μm的焊盘间距，与微凸点技术相比显着提高了互连密度。 

无凸点Chiplet 3D IC集成：

这种新兴技术，如台积电的SoIC（集成芯片系统），涉及通过芯片到晶圆（CoW）或晶圆到晶圆（WoW）工艺进行无凸点混合键合Chiplet。它承诺更高的集成密度和性能。 

组装工艺

先进封装技术中使用了几种组装工艺：1.线键合2.表面贴装技术（SMT）3.有机基板上的倒装芯片大规模回流4.芯片到芯片（CoC）、芯片到晶圆（CoW）和晶圆到晶圆（WoW）热压键合和混合键合

结论

先进封装技术对于满足现代电子设备和应用的需求非常重要。随着半导体行业的不断发展，这些封装技术将在实现更高性能、改进功能和更小尺寸方面发挥越来越重要的作用。从2D集成到无凸点3D Chiplet集成，每种技术在性能、成本和可制造性方面都提供了独特的优势和权衡。
先进封装的未来会在材料、工艺和设计方法方面进行进一步创新，以解决功耗、热管理和信号完整性的挑战。随着AI、5G和其他新兴技术继续推动半导体行业向前发展，先进封装将继续成为下一代电子系统的关键赋能技术。

参考文献

J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," in Semiconductor Advanced Packaging. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021, ch. 1, pp. 1-19.

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