先进封装的4大技术
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在各类先进工艺的支撑下,WLP、2.5D/3D、SIP 封装等成为当前较为主流的先 进封装技术路线:
晶圆级封装(WLP,Wafer Level Packaging):采用RDL技术,封装尺寸 接近芯片本体,成本优势显著,适用于手机 AP/PMIC 等消费电子;
2.5D 封装:通过硅中介层实现多芯片并列互联,核心应用于高性能计算、AI、 数据中心,代表方案为台积电 CoWoS;
3D 封装:利用 TSV 垂直堆叠芯片,大幅降低封装面积,核心应用于 HBM 存储、移动设备、IoT、AI芯片等;
SIP封装:将多个功能芯片及无源元件集成于单一封装体内的技术方案,旨 在有限封装尺寸内实现系统或子系统的完整功能,广泛应用于消费电子、通 信、生物医疗及计算机领域等。
Bump、RDL、WLP、TSV、Hybrid Bonding等是实现先进封装的关键技术。一 般而言,用到以上封装技术的均可称之为先进封装。凸点(Bump)及混合键合(Hybrid Bonding)技术 Bump取代传统封装中的引线键合,提高连接I/O连接数与封装集成度。凸点指 通过在芯片表面形成的导电性突起结构,直接或间接连接芯片电极,其核心功能 是在倒装芯片键合中替代传统引线,实现芯片有源面向下与基板布线层的三维互 连,同时承担电气互联、热管理传导及机械应力支撑三重作用。
Bump 技术以几 何倍数提高了单颗芯片引脚数的物理上限,进而大幅提高了芯片封装的集成度、 缩小了模组体积,广泛应用于WLP、CSP、2.5D/3D等先进封装。
凸点制备方法有蒸发溅射法、电镀法、化学镀法、机械打球法、焊膏印刷法和植 球法,其中焊膏印刷法主要用于200μm以上凸点,植球法用于制造60-200μm 的凸点,电镀法用于制造60μm以下的凸点。
不同封装层级的凸点大小差异;凸点制备方法比较不同凸点制造技术的工艺流程随着Bump尺寸与节距持续微缩至10μm以下,并逐步被Hybrid Bonding(混 合键合)替代,该技术通过Cu-Cu原子扩散实现无凸点直接键合,消除界面物理 障碍,实现芯片垂直互连,具有超高密度互联、工艺简化、结构微型化等优点。凸点键合和混合键合流程对比重布线层(RDL,Re-distributed layer)技术RDL技术是在XY平面进行电气延伸,通过重新分配芯片的I/O引脚位置,将多 个芯片集成到单个封装中。
RDL在晶圆表面沉积形成金属层和相应的介质层,并 形成金属布线,将 IC的输入/输出(I/O)重新分配到新位置。新位置通常位于芯 片边缘,可以使用标准表面贴装技术将 IC 连接到印刷电路板。RDL 技术使设计 人员能够以紧凑且高效的方式放置芯片,从而减少器件的整体占地面积。RDL生产通常采用电镀法与大马士革工艺法,其中电镀法成本低,适合中低密度 封装(线宽/间距≥5μm);大马士革工艺法适用于高密度封装(线宽/间距≤2μm), 如台积电CoWoS技术。
RDL技术的工艺流程(以电镀法为例)硅通孔工艺(TSV) 硅通孔(TSV)技术是在芯片或晶圆之间创建并填充金属等导电材料的垂直导电 孔,以此实现芯片间的垂直互连,是实现2.5D/3D封装的核心工艺。该技术将芯 片上下层或芯片正面与背面的互连路径显著缩短,从而将传统的平面芯片结构扩 展为垂直堆叠的结构。
TSV 的主要优势在于能够有效降低寄生电容和电感,从而 实现芯片间更低的功耗和更高的数据传输速度,同时还能增加带宽并实现封装的 小型化。
TSV技术的示意图TSV的核心制造流程主要包括以下几个步骤:首先,利用深反应离子刻蚀(DRIE) 技术来形成 TSV 通孔。接着,通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制 备介电层,随后采用物理气相沉积(PVD)技术制作阻挡层和种子层。完成这些 基础层后,使用电镀铜(Cu)将通孔填满。
最后,通过化学机械抛光(CMP)去 除多余的金属材料,确保表面平整。若要实现三维(3D)集成,还需要额外进行 晶圆减薄和薄晶键合等关键步骤。由于铜(Cu)能显著提升通孔性能,因此Via Middle(中通孔)和Via-Last(后通孔)成为了主流的 TSV 制造方案。
晶圆级封装(WLP,Wafer Level Packaging):采用RDL技术,封装尺寸 接近芯片本体,成本优势显著,适用于手机 AP/PMIC 等消费电子;
2.5D 封装:通过硅中介层实现多芯片并列互联,核心应用于高性能计算、AI、 数据中心,代表方案为台积电 CoWoS;
3D 封装:利用 TSV 垂直堆叠芯片,大幅降低封装面积,核心应用于 HBM 存储、移动设备、IoT、AI芯片等;
SIP封装:将多个功能芯片及无源元件集成于单一封装体内的技术方案,旨 在有限封装尺寸内实现系统或子系统的完整功能,广泛应用于消费电子、通 信、生物医疗及计算机领域等。
Bump、RDL、WLP、TSV、Hybrid Bonding等是实现先进封装的关键技术。一 般而言,用到以上封装技术的均可称之为先进封装。凸点(Bump)及混合键合(Hybrid Bonding)技术 Bump取代传统封装中的引线键合,提高连接I/O连接数与封装集成度。凸点指 通过在芯片表面形成的导电性突起结构,直接或间接连接芯片电极,其核心功能 是在倒装芯片键合中替代传统引线,实现芯片有源面向下与基板布线层的三维互 连,同时承担电气互联、热管理传导及机械应力支撑三重作用。
Bump 技术以几 何倍数提高了单颗芯片引脚数的物理上限,进而大幅提高了芯片封装的集成度、 缩小了模组体积,广泛应用于WLP、CSP、2.5D/3D等先进封装。
凸点制备方法有蒸发溅射法、电镀法、化学镀法、机械打球法、焊膏印刷法和植 球法,其中焊膏印刷法主要用于200μm以上凸点,植球法用于制造60-200μm 的凸点,电镀法用于制造60μm以下的凸点。
不同封装层级的凸点大小差异;凸点制备方法比较不同凸点制造技术的工艺流程随着Bump尺寸与节距持续微缩至10μm以下,并逐步被Hybrid Bonding(混 合键合)替代,该技术通过Cu-Cu原子扩散实现无凸点直接键合,消除界面物理 障碍,实现芯片垂直互连,具有超高密度互联、工艺简化、结构微型化等优点。凸点键合和混合键合流程对比重布线层(RDL,Re-distributed layer)技术RDL技术是在XY平面进行电气延伸,通过重新分配芯片的I/O引脚位置,将多 个芯片集成到单个封装中。
RDL在晶圆表面沉积形成金属层和相应的介质层,并 形成金属布线,将 IC的输入/输出(I/O)重新分配到新位置。新位置通常位于芯 片边缘,可以使用标准表面贴装技术将 IC 连接到印刷电路板。RDL 技术使设计 人员能够以紧凑且高效的方式放置芯片,从而减少器件的整体占地面积。RDL生产通常采用电镀法与大马士革工艺法,其中电镀法成本低,适合中低密度 封装(线宽/间距≥5μm);大马士革工艺法适用于高密度封装(线宽/间距≤2μm), 如台积电CoWoS技术。
RDL技术的工艺流程(以电镀法为例)硅通孔工艺(TSV) 硅通孔(TSV)技术是在芯片或晶圆之间创建并填充金属等导电材料的垂直导电 孔,以此实现芯片间的垂直互连,是实现2.5D/3D封装的核心工艺。该技术将芯 片上下层或芯片正面与背面的互连路径显著缩短,从而将传统的平面芯片结构扩 展为垂直堆叠的结构。
TSV 的主要优势在于能够有效降低寄生电容和电感,从而 实现芯片间更低的功耗和更高的数据传输速度,同时还能增加带宽并实现封装的 小型化。
TSV技术的示意图TSV的核心制造流程主要包括以下几个步骤:首先,利用深反应离子刻蚀(DRIE) 技术来形成 TSV 通孔。接着,通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制 备介电层,随后采用物理气相沉积(PVD)技术制作阻挡层和种子层。完成这些 基础层后,使用电镀铜(Cu)将通孔填满。
最后,通过化学机械抛光(CMP)去 除多余的金属材料,确保表面平整。若要实现三维(3D)集成,还需要额外进行 晶圆减薄和薄晶键合等关键步骤。由于铜(Cu)能显著提升通孔性能,因此Via Middle(中通孔)和Via-Last(后通孔)成为了主流的 TSV 制造方案。
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