芯片三維封裝技術(shù)的最新研究成果

芯片三維封裝技術(shù)是將多個(gè)芯片在垂直方向堆疊并封裝成一個(gè)整體的技術(shù)，這種技術(shù)是當(dāng)前集成電路封裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有著諸多最新的研究成果。

隨著芯片復(fù)雜度不斷增加，芯片面積、良率和復(fù)雜工藝之間的矛盾難以調(diào)和，3D封裝成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。例如，AMD通過(guò)3D封裝技術(shù)將不同工藝的小芯片集成，其霄龍?zhí)幚砥飨盗型ㄟ^(guò)將io Die采用成熟工藝（如14nm），CPU采用最新的7nm工藝集成，提高了芯片良率，并通過(guò)3D V - cache技術(shù)在第三代霄龍產(chǎn)品中，在每個(gè)CPU Die上集成額外的Level 3緩存，提升了處理器性能。英特爾也推出了復(fù)雜芯片Ponte Vecchio，通過(guò)5種不同工藝將超過(guò)1000億個(gè)晶體管、47顆小芯片集成到一顆大芯片上，這些都展示了3D封裝技術(shù)在提升芯片性能和集成度方面的成果。

在新的技術(shù)創(chuàng)新方面，北京大學(xué)黃如院士團(tuán)隊(duì)提出了全新的倒裝堆疊晶體管（Flip FET，F(xiàn)FET）技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)性地提出了雙面有源區(qū)（Dual - side Active）和雙面互連（Dual - side Interconnects）的概念，為單芯片三維集成開(kāi)辟了新的篇章。

此外，疊層3D封裝因具有集成度高、質(zhì)量輕、封裝尺寸小、制造成本低等特點(diǎn)而受到關(guān)注，在滿足電子產(chǎn)品朝小型化、高密度化、高可靠性、低功耗方向發(fā)展方面具有重要意義。

TSV及TGV在芯片三維封裝中的應(yīng)用進(jìn)展

TSV（Through - Silicon - Via，硅通孔）和TGV（Through - Glass - Via，玻璃通孔）技術(shù)是芯片三維封裝中的關(guān)鍵技術(shù)。

TSV主要用于實(shí)現(xiàn)垂直方向上的信號(hào)連接。在實(shí)際應(yīng)用中，TSV技術(shù)已經(jīng)取得了不少進(jìn)展。例如，在光芯片與電芯片的垂直電互連方面，首次使用中道封裝工藝在硅光SOI晶圓上集成TSV，完成懸臂梁端面耦合器與TSV工藝兼容性整合，實(shí)現(xiàn)了光芯片與電芯片的垂直電互，并且TSV與互測(cè)試結(jié)構(gòu)插損S21≤ - 0.35dB@67GHz，端面耦合損耗實(shí)測(cè)2.18dB 。同時(shí)，我國(guó)頭部封測(cè)企業(yè)，如長(zhǎng)電科技、通富微電、華天科技、晶方科技已有采用TSV技術(shù)封裝的產(chǎn)品批量出貨，展示了TSV技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)展。

TGV技術(shù)方面，它在多個(gè)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)并逐步走向應(yīng)用。Menlo通過(guò)與其他公司合作展示了整合的TGV封裝技術(shù)，使其高性能RF和功率產(chǎn)品擴(kuò)展至超小型晶圓級(jí)封裝。在國(guó)內(nèi)，沃格光電大力推進(jìn)TGV技術(shù)在高算力服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用。TGV技術(shù)在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)集成等領(lǐng)域也具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，適用于這些領(lǐng)域的封裝需求。

在三維互連方面，通過(guò)垂直方向上的TSV/TGV技術(shù)與水平方向上的RDL（再布線層）技術(shù)的配合，可將不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet異質(zhì)集成到1個(gè)封裝體中，從而提高帶寬和電源效率并減小延遲，為高性能計(jì)算、人工智能和智慧終端等提供小尺寸、高性能的芯片。

全球芯片三維封裝(TSV及TGV)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從目前的研究和市場(chǎng)情況來(lái)看，全球芯片三維封裝技術(shù)（TSV及TGV）呈現(xiàn)出多方面的發(fā)展趨勢(shì)。

一、向更高密度的集成發(fā)展 隨著人工智能、高性能計(jì)算等領(lǐng)域?qū)π酒阅芤蟮牟粩嗵岣?，芯片三維封裝技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)更高的集成度。通過(guò)TSV及TGV技術(shù)，能夠在垂直方向上堆疊更多的芯片，將不同功能、制程的芯片集成在一起，從而在不增加封裝體尺寸的情況下，大大提高芯片的功能密度。例如，在AI芯片的封裝中，為了滿足其高性能計(jì)算需求，需要集成更多的計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元等不同功能的芯片，而三維封裝技術(shù)正好提供了這樣的可能。像英偉達(dá)、AMD等公司的新一代AI芯片均采取以TSV為核心的封裝技術(shù)，未來(lái)有望進(jìn)一步提高集成密度以提升芯片性能。

二、追求更低的成本和更高的效率 在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的芯片市場(chǎng)，降低成本和提高生產(chǎn)效率是關(guān)鍵。一方面，隨著TSV及TGV技術(shù)的不斷成熟，其制造工藝的成本有望降低。例如，TGV技術(shù)中的大尺寸超薄玻璃襯底易獲取，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8，這有助于降低封裝成本。另一方面，通過(guò)提高封裝的效率，如優(yōu)化TSV和TGV的制造工藝、提高互連的速度和可靠性等，可以縮短芯片的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

三、在更多領(lǐng)域的應(yīng)用拓展 芯片三維封裝技術(shù)（TSV及TGV）目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域有了應(yīng)用，如存儲(chǔ)芯片等，但未來(lái)其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。在物?lián)網(wǎng)領(lǐng)域，隨著設(shè)備的小型化和多功能化需求，三維封裝技術(shù)可以將傳感器、處理器、通信芯片等集成在一起，滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，如智能手機(jī)、平板電腦等，三維封裝技術(shù)有助于提高設(shè)備的性能并減小尺寸。此外，在醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域，也對(duì)高性能、小型化的芯片有需求，三維封裝技術(shù)將在這些領(lǐng)域找到更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

四、TGV技術(shù)的逐漸興起 與TSV技術(shù)相比，TGV技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如低成本、大尺寸超薄玻璃襯底易獲取、高頻電學(xué)性能優(yōu)異等。隨著研究的深入，TGV技術(shù)有望在部分場(chǎng)景下替代TSV技術(shù)，成為三維封裝領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。目前全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模在新技術(shù)的影響下快速擴(kuò)容，TGV技術(shù)將在其中占據(jù)重要地位，例如在AI + Chiplet趨勢(shì)下，TGV有望在部分場(chǎng)景下替代TSV，進(jìn)而成為AI時(shí)代先進(jìn)封裝核心演進(jìn)方向之一，其遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊。

芯片三維封裝(TSV及TGV)技術(shù)的突破與創(chuàng)新

一、TSV技術(shù)的突破

1. 工藝制程方面

• 在TSV的制作工藝上不斷取得進(jìn)展，例如實(shí)現(xiàn)更小尺寸的TSV制作。如采用“正面后通孔”TSV工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5μm x 60μm TSV的制作，這有助于提高芯片的集成度。更小的TSV尺寸意味著在相同的芯片面積上可以容納更多的通孔，從而實(shí)現(xiàn)更多的垂直連接，有利于提高芯片內(nèi)部信號(hào)傳輸?shù)男屎退俣?，并且可以在不增加芯片封裝體積的情況下集成更多的功能模塊。

• 在TSV與其他工藝的兼容性方面也有突破。如在硅光SOI晶圓上集成TSV，完成懸臂梁端面耦合器與TSV工藝兼容性整合，這一突破使得光芯片與電芯片能夠更好地進(jìn)行垂直電互連，為光 - 電混合集成芯片的發(fā)展提供了技術(shù)支持，拓寬了TSV技術(shù)在光通信、光電集成等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2. 互連性能提升方面

• 在TSV的互連性能上不斷優(yōu)化，降低信號(hào)傳輸?shù)膿p耗。通過(guò)改進(jìn)TSV的材料、結(jié)構(gòu)以及與周圍電路的連接方式等，減少信號(hào)在垂直傳輸過(guò)程中的衰減和干擾。例如在一些高速通信芯片的封裝中，優(yōu)化后的TSV結(jié)構(gòu)能夠有效降低信號(hào)傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘瑵M足高速信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

二、TGV技術(shù)的創(chuàng)新

1. 成孔技術(shù)創(chuàng)新

• TGV技術(shù)的成孔技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。激光誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)因其成孔質(zhì)量均勻、一致性好、無(wú)裂紋、成孔速率快等優(yōu)點(diǎn)在成孔技術(shù)中脫穎而出。這種創(chuàng)新的成孔技術(shù)使得TGV的制造更加高效和可靠，有助于提高TGV的產(chǎn)量和質(zhì)量，為TGV技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)激光誘導(dǎo)刻蝕技術(shù)，可以在玻璃基板上精確地制造出符合要求的通孔，并且能夠保證通孔的電學(xué)性能和機(jī)械性能，在滿足不同封裝需求方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2. 性能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮方面

• TGV技術(shù)利用玻璃基板的特性實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)性能的提升。與硅基板相比，玻璃材料沒(méi)有自由移動(dòng)的電荷，且其介電常數(shù)在5左右，僅為硅的三分之一，可以有效避免TSV技術(shù)中硅基板對(duì)于電子傳輸?shù)挠绊?，從而提高電子傳輸?shù)男?。此外，TGV技術(shù)無(wú)需制作絕緣層，降低了工藝的復(fù)雜度和加工成本。同時(shí)，大尺寸超薄玻璃易于獲取，玻璃轉(zhuǎn)接板的制作成本大約只有硅基轉(zhuǎn)接板的1/8，而且玻璃穩(wěn)定的機(jī)械性能實(shí)現(xiàn)了非常高的超大尺寸封裝良率，玻璃基板大尺寸穩(wěn)定性以及可調(diào)節(jié)的剛性模量使其通孔密度是原先硅基板的10倍，提高芯片封裝密度。

三、TSV與TGV技術(shù)配合的創(chuàng)新

• 在芯片三維封裝中，TSV和TGV技術(shù)與水平方向的RDL技術(shù)配合，實(shí)現(xiàn)了芯片的三維異質(zhì)集成。這種多技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新可以將不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet集成到一個(gè)封裝體中。例如，在高性能計(jì)算芯片的封裝中，可以將計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片等不同功能和制程的小芯片通過(guò)TSV/TGV與RDL技術(shù)的配合，集成到一個(gè)封裝體中，從而提高帶寬和電源效率并減小延遲，為高性能計(jì)算、人工智能和智慧終端等提供小尺寸、高性能的芯片，這是芯片三維封裝技術(shù)在架構(gòu)層面的創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)二維封裝在功能集成和性能提升方面的局限。

近期芯片三維封裝(TSV及TGV)技術(shù)的行業(yè)報(bào)告

一、關(guān)于TGV技術(shù)的市場(chǎng)前景報(bào)告 根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021 - 2026年全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將從350億美元增長(zhǎng)至482億美元，CAGR（復(fù)合年增長(zhǎng)率）將超過(guò)行業(yè)年復(fù)合增速（4.34%）達(dá)到6.61%。TGV技術(shù)在這個(gè)增長(zhǎng)的市場(chǎng)中具有重要地位。隨著AI芯片尺寸和封裝基板的不斷增大，對(duì)于封裝技術(shù)的要求也越來(lái)越高，而TGV技術(shù)被認(rèn)為是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。

二、TGV技術(shù)在AI領(lǐng)域的應(yīng)用及潛力報(bào)告 在AI + Chiplet趨勢(shì)下，TGV技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間。目前英偉達(dá)H100、AMD MI300、壁仞科技BR100等新一代AI芯片均采取以TSV為核心COWoS封裝，但由于TGV對(duì)TSV存在一定優(yōu)勢(shì)，TGV有望在部分場(chǎng)景下替代TSV，進(jìn)而成為AI時(shí)代先進(jìn)封裝核心演進(jìn)方向之一，疊加大模型推動(dòng)之下加速計(jì)算芯片需求高增，TGV遠(yuǎn)期成長(zhǎng)空間廣闊。例如國(guó)內(nèi)沃格光電大力推進(jìn)TGV技術(shù)在高算力服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用，并且玻璃芯載板長(zhǎng)期潛力巨大，假以時(shí)日或與ABF分庭抗禮。除玻璃轉(zhuǎn)接板外，TGV另一重要應(yīng)用為玻璃芯載板，在Al+Chiplet風(fēng)潮之下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向大尺寸封裝及小芯片設(shè)計(jì)，封裝材料要求與日俱增的情況下，TGV技術(shù)的應(yīng)用將不斷拓展。

三、TGV技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況報(bào)告 TGV技術(shù)雖然是TSV技術(shù)的升級(jí)，但由于基板材料技術(shù)相差甚遠(yuǎn)，原有成熟的TSV技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用在TGV技術(shù)。成孔技術(shù)成為制約TGV技術(shù)量產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。不過(guò)目前業(yè)界通過(guò)激光誘導(dǎo)刻蝕得到了良率穩(wěn)定、性能優(yōu)秀的玻璃通孔，有望短期實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。全球TGV技術(shù)處于起步階段，國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平相近，不存在寡頭壟斷現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)沃格光電作為全球少數(shù)掌握成熟TGV技術(shù)的企業(yè)，大力推進(jìn)TGV技術(shù)在高算力芯片領(lǐng)域的應(yīng)用，其全資子公司湖北通格微今年布局了100萬(wàn)平方米產(chǎn)能來(lái)應(yīng)對(duì)玻璃基板在各領(lǐng)域應(yīng)用需求。另外國(guó)內(nèi)各激光設(shè)備廠商的研發(fā)水平也均處在行業(yè)領(lǐng)先地位。

芯片三維先進(jìn)芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹(shù)脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹(shù)脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開(kāi)路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

·         合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。