一文看懂3D封装技术及发展趋势.docx

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1、一文看懂3D封装技术及发展趋势从整个系统层面来看，如何把环环相扣的芯片供应链整合到一起，才是未来发展的重心，封测业将扮演重要的角色。有了先进封装技术，半导体世界将会是另一番情形。现在需要让沉寂了三十年的封装技术成长起来。随着芯片与电子产品中高性能、小尺寸、高可靠性以及超低功耗的要求越来越高，促使先进封装技术不断突破发展，同时在人工智能、自动驾驶、5G网络、物联网等新兴产业的加持下，使得三维(3D)集成先进封装的需求越来越强烈。本文尝试去探讨一下三维晶圆级先进封装的创新发展历程。欢迎指正。1、先进封装发展背景随着集成电路应用多元化，智能手机、物联网、汽车电子、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域

2、对先进封装提出更高要求，封装技术发展迅速，创新技术不断出现。封装技术伴随集成电路发明应运而生，开始仅仅是起到支撑作用主要解决电源分配，信号分配，散热和保护的功能。集成电路技术按照摩尔定律飞速发展，封装技术突飞猛进。特别是进入2010年后，晶圆级封装(WLP,WaferLevelPackage)硅通孔技术(TSV,ThroughSiliconVia)、2.5Dlnterposers3DIC、Fan-Out等技术的产业化,极大提升了先进封装技术水平。从线宽互连能力上看，过去50年，封装技术从100(m提高到lm,甚至亚微米，提高了1000倍。当前，随着摩尔定律趋缓，封装技术成为电子产品小型化、多功

3、能化、降低功耗，提高带宽的重要手段。先进封装向着系统集成、高速、高频、三维方向发展。图2展示了当前主流的先进封装技术平台，包括Flip-Chip.WLCSP、Fan-OutxEmbeddedICx3DWLCSPx3DIC、2.5Dinterposer等7个重要技术。其中绝大部分和晶圆级封装技术相关。支撑这些平台技术的主要工艺包括微凸点、再布线、植球、C2W、W2W、拆键合、TSV工艺等。先进封装技术本身不断创新发展，以应对更加复杂的三维集成需求。当前，高密度TSV技术/Fan-Out扇出技术由于其灵活、高密度、适于系统集成，而成为目前先进封装的核心技术。TSV(ThroughSiliconVi

4、a)C2WWaferBondingDebondingRDL(RedistributionLayer)MicroBumps/CuPillarsBGZFlipChipAdvancedPackagingPlatforms图2先进封装技术平台与工艺2、晶圆级三维封装技术发展2.12.5D3DIC技术为解决有机基板布线密度不足的问题,带有TSV垂直互连通孑侨口高密度金属布线的硅基板应运而生,这种带有TSV的硅基无源平台被称作TSV转接板(lnterposer),应用TSV转接板的封装结构称为2.5DInterposero在2.5DInterposer封装中，若干个芯片并排排列在Interposer上，通

5、过Interposer上的TSV勾、再分布层(RedistributionLayer,RDL)、微凸点(Bump)等，实现芯片与芯片、芯片与封装基板间更高密度的互连。超细线条布线interposer针对fpga、CPU等高性能应用。其特征是正面有多层细节距再布线层，细节距微凸点，主流TSV深宽比达到10:1,厚度约为100mo台积电2010年开展2.5DTSV转接板,即CoWoS技术研发,采用65纳米工艺线，线宽可以达到0.25m,实现4层布线，为FPGA、GPU等高性能产品的集成提供解决方案。M*crobumpsTrougtShconVas(TSV)C4BumpsSLH1PackageSub

6、strateBGASolderBallsHghBandwKMh.LowLaoncyConnecbons赛灵思（Xilinx）型号为Virtex-72000TFPGA的产品是最具代表性的产品之一。如图3所示z基于2.5D转接板技术的Virtex-72000TFPGA产品将四个不同的28nm工艺的FPGA芯片，现了在无源硅中介层上并排互联,同时结合微凸块工艺以及TSV技术,构建了比其他同类型组件容量多出两倍且相当于容量达2000万门ASIC的可编程逻辑器件,实现了单颗28nmFPGA逻辑容量,超越了摩尔定律限制。赛灵思借助台积电（TSMC）的2.5D-TSV转接板技术平台在2011年开始小批量供货

7、。I28mFPGADie(SLR)865nmS4hc0nl1ersf图3（a）赛灵思Virtex-72000TFPGA结构示意图XUINSEI100kV301mWf)8X)mm图3(b)赛灵思Virtex-72000TFPGA扫描电镜切片截面图(图片来源：B.Banijamalietal.,ECTC2011zpp285)TSV技术在解决存储器容量和带宽方面具有决定性作用，通过高密度TSV技术垂直互连方式，将多个芯片堆叠起来,提升存储器容量和性能。三星电子(SAMSUNG)在2010年的4xnm8GB内存上就首次使用了TSV,2011年又完成了3xnm32GBo2014年三星电子采用先进的2xn

8、m工艺，利用TSV打造的DDR4内存条，单条容量高达64GBo2015年三星电子将这一容量翻了一番，开始量产128GBTSVDDR4内存条。新内存依然是面向企业级服务器市场的RDIMM类型内存,使用了多达144颗DDR4内芯片,每一颗容量8Gb(lGB),每四颗芯片利用TSV技术和微凸点紧密封装在一起，总计36个组,分布在内存条两侧。TSV技术在存储区领域另一个引人瞩目的应用是高带宽存储器(HighBandwidthMemory,HBM)oHBM是一种基于3D堆叠工艺的高性能DRAMz其实就是将很多个DDR芯片堆叠在一起后和GPU封装在一起，实现大容量,高位宽的DDR组合阵列。HBM堆叠没有以

9、物理方式与CPU或GPU集成，而是通过细节距高密度TSV转接板互连,目前这种TSV转接板只有台积电(CoWoS)等少数制造企业能够制造。HBM具备的特性几乎和芯片集成的RAM一样,因此,具有更高速，更高带宽。适用于高存储器带宽需求的应用场合。首个使用HBM的设备是AMDRadeonFury系列显示核心。2013年10月HBM成为了JEDEC通过的工业标准，第二代HBMHBM2,也于2016年1月成为工业标准，英伟达(NVIDIA)在该年发表的新款旗舰型Tesla运算加速卡TeslaP100xAMD的RadeonRXVega系列、英特尔(Intel)的KnightLanding也采用了HBM2o

10、AMD的RadeonVegaGPU中使用的HBM2,由8个8Gb芯片和一个逻辑芯片通过TSV和微凸点垂直互连,每个芯片内包含5000个TSV,在一个HBM2中,超过40000个TSV通孔。AMDAMORadeonVegaGPU&HBM2ltegrotron2017bySystemPlusCosufttgNottoscaleQMfong。，：卬SSMas，SEQfr图4AMDRadeonVegaGPU&HBM2集成图5总结了近几年高性能3DTSV产品路线图，可以看到越来越多的CPU、GPU、存储器开始应用TSV技术。一方面是TSV技术不断成熟，另一方面，和高性能计算、人工智能的巨大需求牵引分不开

11、。图6扇出封装三维结构示意图图7是标准eWLB的工艺流程。主要包括了载板上贴膜、芯片-圆片上芯、圆片塑封、解键合、芯片和模塑料扇出表面钝化、光刻、RDL、UBM、BGA、打标、划片等工艺。FinaltestSingulationTopeLaminationBattm0ut2afcrtestUBMdepositiontchingRDLPatterning图7典型eWLB封装流程应用模塑料扇出的eWLB封装技术最主要的难点是由于CTE不匹配带来的翘曲问题,这导致对准精度差、圆片拿持困难。另外芯片在贴片和塑封过程中以及塑封后翘曲导致的位置偏移，对于高密度多芯片互连是一个巨大挑战。随着FOWLP工艺技

12、术逐渐成熟,成本不断降低,同时加上芯片工艺的不断提升，FOWLP将出现爆发性增长。为节距传统AP处理器PoP封装的厚度，提高电性能，在FOWLP技术基础上,进一步开发了在模塑料上制作通孔互连的三维FOWLP堆叠技术。代表性的是台积电研发的nFO技术,为苹果（Apple）的A10处理器提供封装服务,带动了整个业界研发三维FOWLP堆叠技术的热潮。目前在苹果iPhone7中，有7颗芯片采用FOWLP封装。据Yole预计，2020年，整个市场将达到25亿美金。图8展示了台积电nFO技术，通过将芯片埋入模塑料，以铜柱实现三维封装互连。nFO技术为苹果A10、All.A12处理器和存储器的PoP封装提供

13、了新的封装方案,拓展了WL-FO的应用，让Fan-Out技术成为行业热点。图8(a)台积电InFO技术示意图(图片来源:C.F.Tsengetal.,ECTC2016,pp1)图8（b）苹果All处理器InFO封装切片图All处理器尺寸10mm8.7mm,比A10处理器小30%以上，塑封后表面3层布线，线宽8m,密度并不高，主要原因还是重构模塑料圆片表面布线良率和可靠性问题。All处理器InFOPoP的封装尺寸13.914.8mm,与A10相比小8%,厚度790mo台积电nFO技术的成功得益于强大的研发能力和商业合作模式。推出InFO技术，是为了提供AP制造和封装整体解决方案，即使在最初良率很

14、低的情况下，台积电也能持续进行良率提升，这X寸封测厂来说是不可能的。InFO技术的巨大成功推动制造业、封测业以及基板企业投入了大量人力物力开展三维扇出技术的创新研发。业界也发现，很多原本需要2.5DTSV转接板封装可以通过三维扇出来完成，解决了TSV转接板成本太高，工艺太复杂的问题。安靠科技（Amkor）推出了SUM和3DSWITT以及两种技术（图9）。SUM利用前道代工,在硅片表面的无机介质层上制作lm,甚至亚微米金属布线，再用有机介质层制作金属布线，通过倒装互连、芯片塑封后，刻蚀去掉硅片，再制作BGA,完成三维集成。SWITT特点是在Carrier基板上制作多层布线，与芯片通过微凸点倒装，

15、然后塑封，通过穿透模塑料的高铜柱实现三维垂直互连，进一步地在背面再做一层布线，用于和上封装体进行高密度互连。SBcomInle9fstedModuleSftconfntgraledFac二：N图9安靠SLIM和SWIFT扇出封装三维结构示意图长电科技旗下子公司长电先进是国内最早开始扇出封装技术（F0ECP）的研发，F0ECP采用芯片倒装贴到临时载板，塑封，塑封体背面再与硅片键合用来减小翘曲，解键合后，在芯片和模塑料重构表面进行布线和植球，最后塑封体背面的硅片减薄，硅片保留在封装体上。F0ECP技术高度兼容于现有的晶圆级封装平台，既可实现单颗芯片扇出，亦可实现多种芯片集成扇出。与WLCSP相比，可大幅节省芯片面积，最大可节省芯片面积20%以上，较BGA、QFN及SOP等封装，FOECP具有更小的封装尺寸和更薄的封装厚度。长电先进在2015年着手FOECP生产线建设，201