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來源：內(nèi)容 編譯自 semiengineering 。

多芯片組裝為提升性能和降低功耗提供了重要機(jī)會(huì)，但這些復(fù)雜的封裝也帶來了許多新的挑戰(zhàn)，包括芯片到 RDL 錯(cuò)位、不斷變化的翹曲輪廓和 CTE 不匹配。

異構(gòu)集成——一個(gè)涵蓋眾多不同應(yīng)用和封裝要求的總稱——具有將采用多種不同工藝的組件整合到單一封裝中的潛力。與將相同組件集成在單片硅片上相比，這種集成方式可能更具成本效益，并帶來更高的良率。

與傳統(tǒng)電路板上的獨(dú)立元件相比，將器件集成到單個(gè)封裝中也能提高性能，并減少電路的整體占用空間。但將這些不同的元件集成到單個(gè)基板上是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

以移動(dòng)設(shè)備為例。這些設(shè)備通常包含多個(gè)傳感器和收發(fā)器，以及存儲(chǔ)器和邏輯組件。模擬和功率組件通常需要CMOS器件制造中沒有的獨(dú)特工藝步驟，以及更厚的金屬和介電層。

這些問題的研究大多處于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的前沿。但如果能夠解決集成挑戰(zhàn)，相對(duì)較小的市場(chǎng)也將受益匪淺。弗勞恩霍夫IZM公司組裝和封裝部門主管兼集團(tuán)經(jīng)理Tanja Braun在材料研究學(xué)會(huì)（MRS）最近舉辦的2025年MRS春季會(huì)議期間舉辦的“微電子封裝和異質(zhì)集成材料機(jī)遇”研討會(huì)上發(fā)表演講時(shí)表示，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是開發(fā)能夠跨不同應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案。

中介層將組件連接在一起。

如今，大多數(shù)異構(gòu)組件都使用某種形式的中介層，將電路組件彼此連接并與外界連接。單個(gè)器件可以放置在中介層上，并通過扇出布線和集成電容器或其他無源元件進(jìn)行連接。光學(xué)元件可能依賴于中介層中嵌入的波導(dǎo)。多個(gè)處理單元可以通過帶有嵌入式布線的橋接元件連接，例如英特爾的嵌入式多芯片互連橋接 (EMIB)。

在所有情況下，所需的互連和功率密度決定了中介層材料的選擇。但它們都面臨著同樣的根本挑戰(zhàn)——管理硅器件和銅基系統(tǒng)級(jí)布線之間的熱膨脹系數(shù) (CTE) 差異。弗勞恩霍夫的 Braun 指出，當(dāng)她的團(tuán)隊(duì)用銅柱填充有機(jī)電介質(zhì)中的過孔時(shí)，CTE 不匹配會(huì)導(dǎo)致收縮，從而引起銅-電介質(zhì)界面出現(xiàn)裂紋。?

對(duì)于功率器件而言，熱膨脹系數(shù) (CTE) 管理尤其困難，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過程中可能會(huì)產(chǎn)生大量熱量。功率器件還需要可靠的隔離，以防止電弧放電并減少寄生損耗。玻璃滿足隔離和熱穩(wěn)定性要求，但需要特殊處理。

賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院和材料研究所副教授李寧表示，光互連技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)中心的中長連接至關(guān)重要，但也帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。他指出，制造商希望將波導(dǎo)和其他無源光學(xué)元件集成到互連封裝中，但這樣做需要仔細(xì)控制基板中的折射率和折射率對(duì)比度。

盡管功率和光學(xué)器件帶來了特殊的挑戰(zhàn)，但即使是通用邏輯元件的中介層也需要與設(shè)計(jì)的其他部分共同優(yōu)化。例如，扇出型面板級(jí)封裝通常被認(rèn)為是扇出型晶圓級(jí)封裝的更高效的后繼方案。面板可以并行處理更多器件，而且由于是矩形，在平鋪矩形器件時(shí)浪費(fèi)的空間更少。然而，Braun 表示，它們的尺寸使其處于一個(gè)灰色地帶。能夠滿足邏輯重分布層微米級(jí)尺寸要求的工藝和檢測(cè)設(shè)備大多針對(duì)晶圓尺寸的基板進(jìn)行了優(yōu)化。即使有能夠處理大型基板的設(shè)備，檢測(cè)如此小尺寸的基板本身也非常緩慢。

將芯片固定在其放置位置

控制翹曲和芯片移位對(duì)于面板級(jí)封裝尤其具有挑戰(zhàn)性。芯片優(yōu)先、面朝下的扇出工藝將單個(gè)芯片面朝下放置在載體基板上的轉(zhuǎn)移膠帶上。玻璃載體通常用于方便紫外線脫鍵合。將芯片封裝在模塑料中后，釋放轉(zhuǎn)移膠帶會(huì)將面板與載體基板分離，露出鍵合焊盤。將這些焊盤與中介層的重分布層布線對(duì)齊后，進(jìn)行混合鍵合。

這個(gè)過程描述起來容易，實(shí)現(xiàn)起來難。轉(zhuǎn)移膠帶和模塑料（通常都基于聚合物）彼此之間以及與硅芯片和載體基板之間的熱膨脹系數(shù) (CTE) 都不同。轉(zhuǎn)移膠帶通常在成型過程中會(huì)膨脹，而模塑料在冷卻和固化時(shí)會(huì)收縮。互補(bǔ)的應(yīng)力會(huì)使面板變形，并可能將單個(gè)芯片從其原始位置拉出，從而與重新分布層失去對(duì)齊。

Braun 指出，翹曲會(huì)在整個(gè)組裝過程中不斷演變。包含散熱器、加強(qiáng)筋和模塑料在內(nèi)的完整面板組件的翹曲程度可能比單獨(dú)的封裝芯片要小。因此，工藝優(yōu)化應(yīng)該評(píng)估整體結(jié)果，而不是某個(gè)特定的工藝步驟。

相比之下，一旦封裝材料硬化，芯片偏移往往會(huì)“凍結(jié)”在原地。雖然已知的系統(tǒng)性偏移可以在RDL設(shè)計(jì)中得到適應(yīng)，但熱異常、模塑料的不均勻性以及類似因素可能會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)偏移。在這種封裝中，芯片和RDL布線之間的錯(cuò)位尤其難以檢測(cè)，因?yàn)檫B接兩者的混合銅-銅鍵隱藏在兩層之間。

自上而下的目視檢查可以輕松檢測(cè)到變形的焊球和斷裂的引線鍵合，但無法檢測(cè)到界面污染或錯(cuò)位的混合鍵合。對(duì)單個(gè)芯片和整個(gè)封裝的測(cè)試仍然具有挑戰(zhàn)性。

解決這些問題的不同方法正在涌現(xiàn)。英特爾高級(jí)首席工程師段剛和他的同事指出，該公司的EMIB封裝嘗試通過設(shè)計(jì)預(yù)制井來解決芯片移位錯(cuò)誤，以便將芯片放置到硅“橋”元件中。?

Braun 團(tuán)隊(duì)提出的另一種方案依賴于無掩模光刻技術(shù)。在測(cè)量芯片的最終位置后，晶圓廠會(huì)相應(yīng)地修改 RDL 焊盤的位置，并根據(jù)更新后的位置制造定制的中介層。該解決方案能否滿足大規(guī)模生產(chǎn)的成本和產(chǎn)量要求尚不清楚。從技術(shù)上講，RDL 制造比 PCB 制造更接近 CMOS 互連工藝，但其面板面積比以晶圓為中心的設(shè)計(jì)工具通常設(shè)想的要大得多。

對(duì)于功率器件，研討會(huì)參與者、馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程教授 F. Patrick McCluskey 指出，封裝是關(guān)鍵的差異化因素。他指出，這些器件本身相對(duì)簡單，但需要低損耗、低噪聲且熱特性優(yōu)異的封裝。

然而，弗勞恩霍夫 IZM 的研究員蒂娜·托馬斯及其同事表示，熱場(chǎng)和電場(chǎng)的退化可能導(dǎo)致環(huán)氧基模具化合物變脆，有可能導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿并允許濕氣侵入。

除此之外，嵌入式無源元件會(huì)使整體封裝更厚。因此，制造商需要考慮塑封料的流變特性及其均勻填充整個(gè)腔體的能力。硅凝膠是一種替代方案，它具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，并且是良好的絕緣體，但防水性不是特別好。

馬里蘭大學(xué)的研究人員展示了一種雙層封裝，它結(jié)合了防潮但堅(jiān)硬的聚氨酯層和機(jī)械柔順的硅膠層。?

結(jié)論

異構(gòu)封裝模糊了“片上”和“片外”環(huán)境之間的界限。這也是為什么所有參與 MRS 研討會(huì)的參與者都強(qiáng)調(diào)封裝設(shè)計(jì)和組件器件需要協(xié)同優(yōu)化的原因之一。每個(gè)器件的噪聲和熱特性及要求都會(huì)影響其他所有器件。像 UCIe 這樣的標(biāo)準(zhǔn)化接口是一個(gè)良好的開端，但它們不能替代對(duì)擬議設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底的仿真。

https://semiengineering.com/advanced-packaging-depends-on-materials-and-co-design/

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