英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾曾預(yù)言，芯片上的晶體管數(shù)量每一到兩年就會(huì)翻一番。由于圖案小型化技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)被稱為摩爾定律的預(yù)測(cè)直到最近都是正確的。然而，摩爾定律可能不再有效，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到極限，并且由于使用昂貴的設(shè)備，如極紫外（EUV）光刻系統(tǒng)，成本已經(jīng)上升。同時(shí)，對(duì)不斷改進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)仍有巨大的市場(chǎng)需求。為了彌補(bǔ)技術(shù)進(jìn)步的差距并滿足半導(dǎo)體市場(chǎng)的需求，出現(xiàn)了一種解決方案： 先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。

　　盡管高級(jí)包裝非常復(fù)雜并且涉及多種技術(shù)，互聯(lián)技術(shù)仍然是其核心。這篇文章將涵蓋包裝技術(shù)如何發(fā)展和SK海力士最近的努力和成就，以幫助推進(jìn)該領(lǐng)域。

　　互連在先進(jìn)封裝中的重要性

　　首先，需要注意的是，互連技術(shù)是封裝的關(guān)鍵和必要部分。芯片通過封裝互連，以接收功率、交換信號(hào)并最終進(jìn)行操作。由于半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度、密度和功能隨互連方式的不同而不同，互連方法也在不斷變化和發(fā)展。

　　除了開發(fā)各種工藝以在晶圓廠中實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖案之外，還進(jìn)行了廣泛的努力來提高封裝工藝中的互連技術(shù)。結(jié)果，開發(fā)了以下四種類型的互連技術(shù)：引線鍵合、倒裝芯片鍵合、硅通孔1 （TSV）鍵合，以及與小芯片的混合鍵合。2

　　1硅通孔（TSV）：一種垂直互連通路（通孔），完全穿過硅芯片或晶片，以實(shí)現(xiàn)硅芯片的堆疊。

　　2小芯片：根據(jù)用途（如控制器或高速存儲(chǔ)器）劃分芯片，并在封裝過程中重新連接它們之前將它們作為單獨(dú)的晶片制造的技術(shù)。

　　圖一。顯示互連方法規(guī)格的表格。（這些規(guī)格是應(yīng)用了各自互連技術(shù)的主要產(chǎn)品的例子。）

　　3混合粘接尚未應(yīng)用于上述產(chǎn)品。規(guī)格是一個(gè)估計(jì)值。

　　引線鍵合

　　引線鍵合是開發(fā)的第一種互連方法。通常，具有良好電性能的材料，例如金、銀和銅，被用作接合芯片和基板的導(dǎo)線。這是最具成本效益和最可靠的互連方法，但由于其較長(zhǎng)的電氣路徑，它不適合需要高速操作的較新設(shè)備。因此，這種方法正被用于不需要快速操作的移動(dòng)設(shè)備中使用的移動(dòng)DRAM和NAND芯片。

　　倒裝芯片接合

　　倒裝芯片接合 克服了引線鍵合的缺點(diǎn)。它的電路長(zhǎng)度是引線焊接的十分之幾，這使它適合于高速操作。與在芯片級(jí)執(zhí)行的引線鍵合相比，在晶片級(jí)處理的倒裝芯片鍵合還提供了更高的生產(chǎn)率。因此，它被廣泛用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封裝。此外，由于凸點(diǎn)可以形成在芯片的整個(gè)側(cè)面，因此與引線鍵合相比，有可能擁有更多的輸入和輸出（I/O ），從而可能提供更高的數(shù)據(jù)處理速度。然而，倒裝結(jié)合有其自身的缺點(diǎn)。首先，難以進(jìn)行多芯片堆疊，這對(duì)于需要高密度的存儲(chǔ)器產(chǎn)品是不利的。此外，盡管倒裝芯片焊接可以比引線焊接連接更多的I/o，但是它的凸塊間距3 和有機(jī)PCB間距阻礙了更多I/o的連接。為了克服這些限制，開發(fā)了TSV焊接。

　　硅通孔（TSV）鍵合

　　TSV沒有使用傳統(tǒng)的布線方法來連接芯片到芯片，而是通過在芯片上鉆孔并用金屬等導(dǎo)電材料填充以容納電極來垂直連接芯片。在制造了具有TSV的晶片之后，在連接這些凸塊之前，通過封裝在其頂側(cè)和底側(cè)形成微凸塊。由于TSV允許凸點(diǎn)垂直連接，因此可以實(shí)現(xiàn)多芯片堆疊。最初，使用TSV粘合的疊層有四層，后來增加到八層。最近，一項(xiàng)技術(shù)使得堆疊12層成為可能，在2023年4月SK海力士開發(fā)了12層HBM3。與TSV倒裝芯片結(jié)合的方法通常使用基于熱壓的非導(dǎo)電膜（TC-NCF），而SK海力士則使用MR-MUF4 這可以減少來自堆疊的壓力并實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)。5這些特性使SK海力士開發(fā)出世界上第一個(gè)12層HBM3成為可能。

　　4大規(guī)?；亓髂Ｖ频撞刻畛洌∕R-MUF）：一種工藝，將半導(dǎo)體芯片堆疊起來，將液體保護(hù)材料注入芯片之間的空間，然后硬化，以保護(hù)芯片和周圍的電路。與在每個(gè)芯片堆疊后應(yīng)用薄膜型材料相比，MR-MUF是一種更有效的工藝，并提供有效的散熱。

　　5自對(duì)準(zhǔn)：在MR-MUF過程中，通過大規(guī)?；亓鲗⑿酒匦露ㄎ坏秸_的位置。在此過程中，對(duì)芯片進(jìn)行加熱，使相關(guān)的凸點(diǎn)在正確的位置熔化并硬化。

　　如上所述，引線、倒裝芯片和TSV焊接在封裝工藝的各個(gè)領(lǐng)域都有各自的用途。然而，最近出現(xiàn)了一種新的互連技術(shù)，稱為銅對(duì)銅直接鍵合，這是一種混合鍵合。

　　具有小芯片的混合鍵合

　　術(shù)語“混合”用于表示兩種類型的界面結(jié)合6正在同時(shí)形成。這兩種類型的界面結(jié)合是：氧化物界面之間的結(jié)合和銅之間的結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)并不是新的發(fā)展，但已經(jīng)在CMOS圖像傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)中使用了幾年。然而，由于小芯片的使用增加，它最近引起了更多的關(guān)注。小芯片技術(shù)通過功能將單個(gè)芯片分開，然后通過封裝將它們重新連接起來，在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多種功能。

　　6界面結(jié)合：兩個(gè)相互接觸的物體表面通過分子間力結(jié)合在一起的結(jié)合。

　　雖然小芯片的功能是該技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)，但采用它們的主要原因是成本效益。當(dāng)所有功能都在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)時(shí)，芯片尺寸增加，不可避免地導(dǎo)致晶片生產(chǎn)過程中的產(chǎn)量損失。此外，雖然芯片的某些區(qū)域可能需要昂貴和復(fù)雜的技術(shù)，但其他區(qū)域可以用較便宜的傳統(tǒng)技術(shù)來完成 技術(shù)。因此，制造過程變得昂貴，因?yàn)樾酒荒鼙环蛛x，所以精細(xì)技術(shù)被應(yīng)用于整個(gè)芯片，即使只有小面積需要它。然而，小芯片技術(shù)分離芯片功能的能力使得能夠使用先進(jìn)的或傳統(tǒng)的制造技術(shù)，從而節(jié)省成本。

　　雖然小芯片技術(shù)的概念已經(jīng)存在了十多年，但是由于缺乏能夠互連芯片的封裝技術(shù)的發(fā)展，它還沒有被廣泛采用。然而，芯片到晶片（C2W）混合鍵合的最新進(jìn)展大大加快了小芯片技術(shù)的采用。C2W混合焊接有幾個(gè)好處。首先，它允許無焊料焊接，減少了焊接層的厚度，縮短了電氣路徑，降低了電阻。因此，小芯片可以不折不扣地高速運(yùn)行——就像它是單個(gè)芯片一樣。第二，通過將銅直接鍵合到銅，凸塊上的間距可以顯著減小。目前，當(dāng)使用焊料時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)10微米（微米）或更小的凸塊間距。然而，銅-銅直接鍵合可以將間距減小到小于微米，增加了芯片設(shè)計(jì)的靈活性。第三，它提供了先進(jìn)的散熱功能，這是一種在未來只會(huì)越來越重要的封裝功能。最后，上面提到的薄接合層和細(xì)間距影響封裝的形狀因子，因此封裝的尺寸可以顯著減小。

　　然而，像其他鍵合技術(shù)一樣，混合鍵合仍然需要克服挑戰(zhàn)。為了確保穩(wěn)定的質(zhì)量，必須在納米尺度上改善顆?？刂?，控制粘合層的平整度仍然是一個(gè)主要障礙。與此同時(shí)，SK海力士計(jì)劃使用最強(qiáng)大的封裝解決方案來開發(fā)混合粘合，以便將其應(yīng)用于未來的HBM產(chǎn)品。

　　用SK海力士的混合粘合推進(jìn)封裝技術(shù)

　　雖然SK hynix目前正在開發(fā)混合粘合，以應(yīng)用于其即將推出的高密度、高堆疊HBM產(chǎn)品，但該公司之前已經(jīng)成功地在2022年為HBM2E堆疊了八層混合粘合，同時(shí)完成了電氣測(cè)試并確保了基本的可靠性。這是一項(xiàng)重大成就，因?yàn)槠駷橹勾蠖鄶?shù)混合鍵合都是通過單層鍵合或兩個(gè)芯片面對(duì)面堆疊來完成的。對(duì)于HBM2E，SK海力士成功堆疊了一個(gè)基礎(chǔ)管芯和八個(gè)DRAM管芯。

　　混合粘合是包裝行業(yè)中最受關(guān)注的粘合技術(shù)。集成器件制造商、代工廠和任何能夠生產(chǎn)高級(jí)封裝的公司都在關(guān)注混合焊接。如上所述，盡管該技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，但它仍有很長(zhǎng)的路要走。通過它的領(lǐng)導(dǎo) HBM技術(shù)，SK海力士除了混合鍵合還將開發(fā)各種封裝技術(shù)，幫助封裝技術(shù)和平臺(tái)解決方案達(dá)到前所未有的水平。

　　審核編輯：黃飛