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現(xiàn)代封裝挑戰(zhàn)概述

傳統(tǒng)封裝方法已無法滿足人工智能、高性能計(jì)算和下一代通信技術(shù)的需求。晶體管尺寸已縮小至個(gè)位數(shù)納米量級(jí)，但傳統(tǒng)印刷線路板技術(shù)仍局限于20到30微米的線寬。這種三個(gè)數(shù)量級(jí)的差距造成了根本性瓶頸，Interposer和基板必須通過全新的設(shè)計(jì)和制造方法來解決這一問題。

Interposer和基板正經(jīng)歷從簡(jiǎn)單中介組件向復(fù)雜工程平臺(tái)的深刻轉(zhuǎn)變。這些組件現(xiàn)在承擔(dān)著功率分配、熱管理、高密度互連和信號(hào)完整性等責(zé)任，應(yīng)用于最苛刻的計(jì)算系統(tǒng)中。這種演進(jìn)不僅僅是漸進(jìn)式改進(jìn)，而是行業(yè)在異構(gòu)集成和chiplet架構(gòu)方法上的完整范式轉(zhuǎn)變[1]。

1通過先進(jìn)材料縮小互連差距

從硅Interposer向有機(jī)和玻璃基解決方案的轉(zhuǎn)變代表了先進(jìn)封裝領(lǐng)域最重要的發(fā)展之一。傳統(tǒng)硅Interposer需要硅通孔和復(fù)雜的深度刻蝕工藝，這限制了大尺寸封裝的可擴(kuò)展性。有機(jī)Interposer利用玻璃載體提供結(jié)構(gòu)支撐，為現(xiàn)代chiplet架構(gòu)提供了更具可擴(kuò)展性的替代方案，同時(shí)保持精細(xì)間距互連能力。

圖1：N=2、N=3和N=4集體芯片到晶圓轉(zhuǎn)移的簡(jiǎn)化流程圖

玻璃核心基板正成為另一個(gè)有吸引力的替代方案，相比有機(jī)材料提供更好的機(jī)械穩(wěn)定性、更低的介電常數(shù)和更精細(xì)的再分布層能力。玻璃基板的介電常數(shù)約為4.0，相比硅的11.7顯著降低了信號(hào)損失，特別適用于5G和毫米波通信等高頻應(yīng)用。行業(yè)正快速轉(zhuǎn)向矩形玻璃載體，而非傳統(tǒng)的圓形晶圓狀載體，提高了處理效率和工藝優(yōu)化效果。

再分布層技術(shù)持續(xù)發(fā)展以支持日益精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，研究演示已實(shí)現(xiàn)1微米線寬和間距分辨率。這些進(jìn)展接近芯片到芯片互連所需的尺寸，實(shí)現(xiàn)了新的集成密度水平。半加成工藝已證明能夠在生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)2微米線寬和間距分辨率，先進(jìn)研究正在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中推向1微米能力。

2制造精度和工藝控制

向Interposer和基板制造中納米級(jí)精度的轉(zhuǎn)變帶來了在大格式基板上保持精度的新挑戰(zhàn)。面板級(jí)工藝雖然通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)提供潛在成本優(yōu)勢(shì)，但在處理、對(duì)準(zhǔn)和良率管理方面引入了必須精心控制的新變量。與受益于數(shù)十年標(biāo)準(zhǔn)化的晶圓級(jí)工藝不同，面板級(jí)方法需要新的方法來管理材料膨脹、翹曲和工藝均勻性。

共面性已成為最關(guān)鍵的制造挑戰(zhàn)之一。隨著基板變得越來越薄和精細(xì)，在芯片到基板鍵合過程中保持精確對(duì)準(zhǔn)對(duì)電氣性能、可靠性和熱耗散變得極其重要。即使是以前可以容忍的輕微對(duì)準(zhǔn)偏差，現(xiàn)在也會(huì)顯著降低系統(tǒng)性能并減少長期可靠性。

電鍍均勻性帶來另一個(gè)重大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于高縱橫比特征，如有機(jī)Interposer中嵌入式硅橋周圍的高細(xì)柱。這些"巨柱"高度超過100微米，同時(shí)保持細(xì)長輪廓，需要在不過度延長工藝時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)均勻電鍍。行業(yè)正在采用人工智能驅(qū)動(dòng)的工藝控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，確保這些苛刻應(yīng)用中的一致性和良率優(yōu)化。

3熱管理集成

熱管理已從事后考慮發(fā)展為現(xiàn)代Interposer和基板架構(gòu)中的主要設(shè)計(jì)考慮因素。隨著功率密度增加和封裝尺寸擴(kuò)大，大型Interposer上會(huì)形成顯著的熱梯度，導(dǎo)致機(jī)械變形和翹曲，對(duì)數(shù)千個(gè)微尺度鍵合點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。這些熱誘導(dǎo)應(yīng)力直接影響電氣性能和整體系統(tǒng)可靠性。

將熱管理直接集成到Interposer設(shè)計(jì)中代表了封裝理念的根本轉(zhuǎn)變。制造商正在研究Interposer內(nèi)的嵌入式微流體冷卻通道、在峰值負(fù)載期間吸收熱量的相變材料，以及基于碳納米管的先進(jìn)熱界面材料。這些方法提供比傳統(tǒng)熱管理解決方案顯著更低的熱阻，同時(shí)保持與高密度互連結(jié)構(gòu)的兼容性。

4先進(jìn)鍵合技術(shù)和可靠性

傳統(tǒng)微凸點(diǎn)鍵合技術(shù)隨著互連間距持續(xù)減小而接近實(shí)際極限。微凸點(diǎn)間距通常限制在40微米或更大，無法充分支持現(xiàn)代chiplet架構(gòu)的精細(xì)間距要求?；旌湘I合已成為一個(gè)有前景的替代方案，通過結(jié)合介電到介電和金屬到金屬鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)亞10微米互連間距。

混合鍵合需要原子級(jí)光滑表面以防止空洞形成和電氣不連續(xù)性。這需要精確的表面活化技術(shù)，包括等離子體處理和化學(xué)功能化，以增強(qiáng)介電鍵合強(qiáng)度。直接銅到銅鍵合消除了中間材料，改善了信號(hào)完整性和熱性能，同時(shí)在氧化防護(hù)和壓力管理方面帶來新挑戰(zhàn)。

5未來方向：主動(dòng)Interposer和智能系統(tǒng)

向主動(dòng)Interposer的演進(jìn)代表了先進(jìn)封裝技術(shù)的下一個(gè)前沿。這些智能基板將晶體管、功率管理線路和光互連直接嵌入Interposer層中，實(shí)現(xiàn)更智能的信號(hào)路由、自適應(yīng)功率管理和局部處理能力?；诠杌?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電子的Interposer正在演示每通道超過200吉比特每秒的數(shù)據(jù)速率，表明從傳統(tǒng)電氣互連向光通信的潛在轉(zhuǎn)變。

主動(dòng)Interposer的商業(yè)可行性取決于克服制造挑戰(zhàn)，包括嵌入式組件的高良率制造和規(guī)?；a(chǎn)的成本效益工藝流程。成功需要封裝工程師、芯片架構(gòu)師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師之間的全面協(xié)同設(shè)計(jì)方法，代表行業(yè)在集成挑戰(zhàn)處理方法上的完整轉(zhuǎn)變。

6制造挑戰(zhàn)的克服

隨著Interposer和基板變得更加復(fù)雜，在納米級(jí)尺寸上保持精度已成為重大挑戰(zhàn)。向異構(gòu)集成和精細(xì)間距互連的轉(zhuǎn)變要求在芯片放置、材料沉積和鍵合技術(shù)方面具有極高精度。即使是以前可以容忍的輕微對(duì)準(zhǔn)偏差，現(xiàn)在也會(huì)降低電氣性能、減少可靠性并影響熱耗散。

基板和Interposer assembly中的主要挑戰(zhàn)是始終如一地實(shí)現(xiàn)共面性。由于這些基板變得如此薄和精細(xì)，在芯片到基板鍵合過程中保持精確對(duì)準(zhǔn)變得極其重要。任何輕微的對(duì)準(zhǔn)偏差或變化都會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生重大影響。

向面板級(jí)工藝的轉(zhuǎn)變帶來另一組制造和缺陷檢測(cè)挑戰(zhàn)。雖然晶圓級(jí)工藝受益于數(shù)十年的標(biāo)準(zhǔn)化，但面板級(jí)工藝在大格式基板上的處理、對(duì)準(zhǔn)和良率管理方面引入了新變量。材料膨脹、翹曲和工藝均勻性的變化帶來了重大工程挑戰(zhàn)。

全面板均勻性是面板級(jí)封裝最困難的方面之一。多層精細(xì)線再分布層需要高度均勻性，從光刻到電鍍。如果無法實(shí)現(xiàn)，翹曲和形貌問題會(huì)影響后續(xù)層并降低良率。

7可靠性增強(qiáng)

隨著Interposer和基板技術(shù)變得更加復(fù)雜，確保長期可靠性需要從傳統(tǒng)基于規(guī)則的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向人工智能驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)建模。高密度互連和混合材料集成正在引入新的失效機(jī)制，必須在設(shè)計(jì)過程早期預(yù)測(cè)和緩解。先進(jìn)仿真工具現(xiàn)在集成多物理場(chǎng)分析，使工程師能夠在設(shè)計(jì)到達(dá)制造之前預(yù)測(cè)電遷移、熱梯度和機(jī)械應(yīng)力等問題。

使用預(yù)測(cè)仿真和人工智能驅(qū)動(dòng)分析已變得必要。仿真允許預(yù)測(cè)Interposer上的電遷移和熱效應(yīng)，這直接影響長期可靠性。隨著基板復(fù)雜性增加，這種能力變得極其重要。

然而，這些模型的準(zhǔn)確性取決于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，特別是對(duì)于缺乏廣泛經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的新材料。隨著Interposer從有機(jī)基板轉(zhuǎn)向混合和玻璃基設(shè)計(jì)，材料特性的精確表征變得關(guān)鍵。熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)或機(jī)械應(yīng)力的任何錯(cuò)誤表征都會(huì)對(duì)器件可靠性產(chǎn)生重大下游影響。

隨著頻率增加和基板變熱，材料特性變得關(guān)鍵。準(zhǔn)確建模這些材料在實(shí)際條件下的行為表現(xiàn)極其重要。在Interposer和基板級(jí)別錯(cuò)誤表征材料行為會(huì)嚴(yán)重影響器件可靠性。

8新材料創(chuàng)新

隨著半導(dǎo)體性能需求持續(xù)增加，傳統(tǒng)有機(jī)基板正接近其根本極限。作為回應(yīng)，制造商正轉(zhuǎn)向新材料，如玻璃核心復(fù)合材料、陶瓷和混合有機(jī)-無機(jī)結(jié)構(gòu)，以改善熱性能、電氣特性和機(jī)械穩(wěn)定性。

玻璃核心Interposer因其約4.0的較低介電常數(shù)而受到重視，這明顯低于硅的11.7，減少了信號(hào)損失，使其非常適合5G、6G和其他毫米波通信等高頻應(yīng)用。玻璃還比有機(jī)基板提供更好的尺寸穩(wěn)定性，減少翹曲并改善面板級(jí)封裝的良率。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，制造挑戰(zhàn)仍然存在，特別是在通玻璃孔的精密激光鉆孔、孔填充和玻璃材料固有脆性方面。

玻璃基板確實(shí)平整且機(jī)械強(qiáng)度高，使封裝能夠擴(kuò)展到120毫米×120毫米以上。這實(shí)現(xiàn)了極其精細(xì)的再分布層集成，對(duì)高密度Interposer和基板至關(guān)重要。

除玻璃外，在有機(jī)Interposer內(nèi)結(jié)合硅橋的混合基板正獲得關(guān)注。這些結(jié)構(gòu)結(jié)合了有機(jī)材料的成本效率和硅的電氣性能優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造了更通用的封裝解決方案。

先進(jìn)封裝中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理由于這些材料之間熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的翹曲。即使是輕微的不匹配也會(huì)在這些尺度上造成良率和可靠性問題。

熱膨脹不匹配可能導(dǎo)致熱循環(huán)期間的分層、開裂和翹曲，增加了在這些效應(yīng)成為制造問題之前進(jìn)行預(yù)測(cè)建模的需求。隨著半導(dǎo)體封裝繼續(xù)推動(dòng)材料集成的極限，確保準(zhǔn)確的材料表征和仿真正在成為關(guān)鍵要求。

隨著頻率增加和基板變熱，材料特性變得關(guān)鍵。準(zhǔn)確建模這些材料在實(shí)際條件下的行為表現(xiàn)極其重要。在Interposer和基板級(jí)別錯(cuò)誤表征材料行為會(huì)嚴(yán)重影響器件可靠性。

盡管這些新材料具有巨大潛力，但重大制造復(fù)雜性仍然存在。雖然玻璃和陶瓷基板提供優(yōu)越的電氣特性，但引入了處理困難、成本問題和供應(yīng)鏈限制，必須在完全替代傳統(tǒng)有機(jī)材料之前解決。同時(shí)，混合解決方案提供了中間方案，但需要精心工程設(shè)計(jì)以平衡電氣、熱和機(jī)械權(quán)衡。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入這個(gè)新時(shí)代，Interposer和基板正成為先進(jìn)計(jì)算架構(gòu)的重要推動(dòng)因素，直接影響性能、功率效率和可靠性，這些方面將定義下一代電子系統(tǒng)。

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