引言
半导体行业不断发展，推动技术边界，以满足对更快、更高效、更强大电子设备的持续增长需求。这一领域的关键创新之一是先进半导体封装。本文簡介2.5D和3D封装技术的发展、优势和挑战，以及在各种应用中的影响[1]。
半导体封装的演变
半导体封装技术已从最初的1D PCB水平发展到今天的晶圆级3D混合键合封装。这一进步实现了单位数微米的互连间距，能够以高能效达到超过1000 GB/s的带宽。
四个关键参数塑造了先进半导体封装的发展：
功率：通过创新封装技术提高功率效率。
性能：通过缩短互连间距增加输入/输出（I/O）点数，提高带宽并减少通信长度。
面积：高性能计算芯片需要更大的封装面积，而3D集成则需要更小的z轴尺寸。
成本：通过使用替代的更经济材料或提高制造设备效率，持续降低封装成本。
2.5D封装技术
2.5D封装技术涉及使用中间层连接多个芯片。根据中间层材料的选择，2.5D封装分为三种主要类型：
1. 硅基中间层：
两种选择：硅中间层（全被动硅晶圆）和硅桥（扇出式模塑化合物中的局部硅桥或带腔基板）。
优势：最精细的布线特征，适用于高性能计算集成。
挑战：材料和制造成本较高，封装面积限制。
未来趋势：增加使用局部硅桥以解决面积限制和成本问题。
2. 有机基中间层：
使用扇出式模塑化合物而非有机基板。
优势：介电常数低于硅（较低的RC延迟），更具成本效益。
挑战：难以达到与硅基封装相同水平的互连特征缩减。
3. 玻璃基中间层：
优势：可调热膨胀系数（CTE），高尺寸稳定性，光滑平整的表面。
布线特征有潜力与硅媲美。
挑战：生态系统不成熟，目前缺乏大规模量产能力。
3D封装技术
3D封装技术专注于芯片的垂直堆叠，主要有两种方法：
1. 微凸点技术：
基于热压焊接（TCB）工艺。
技术成熟，应用于多种产品。
持续努力缩小凸点间距。
挑战：较小焊球中金属间化合物（IMCs）形成增加，潜在的焊球桥接问题，与铜相比电阻率较高。
2. 混合键合：
通过结合介电材料（SiO2）和嵌入金属（Cu）创建永久互连。
实现低于10微米（通常为个位数μm）的间距。
优势：扩展I/O，增加带宽，增强3D垂直堆叠，提高功率效率，减少寄生效应和热阻。
挑战：制造复杂性和较高成本。
应用和市场影响
先进半导体封装技术在多个关键市场中找到应用：
1. 人工智能和数据中心：
推动对高性能计算解决方案的需求。
需要能够处理增加的功率和性能需求的封装技术。
2. 5G网络：
先进封装对5G无线电和网络基础设施至关重要。
实现更高频率和增加带宽。
3. 自动驾驶汽车：
需要先进封装用于传感器、处理器和通信系统。
强调在恶劣环境中的可靠性和性能。
4. 消费电子：
智能手机、平板电脑、智能手表和AR/VR设备受益于更小的尺寸和更高的性能。
先进封装实现在紧凑设计中集成多种功能。
未来展望
先进半导体封装行业将迎来显著增长和创新。需要关注的主要趋势包括：
互连间距持续缩小，特别是混合键合技术。
开发新材料和工艺以解决热管理和功率效率挑战。
增加采用基于chiplet的设计和异构集成。
玻璃基中间层技术的成熟和潜在的广泛采用。
制造工艺的进步，以降低成本和提高良率。
随着对更强大、更高效电子设备需求的持续增长，先进半导体封装将在实现下一代技术方面发挥关键作用。从人工智能和5G到自动驾驶汽车及更多领域，这些封装创新将成为日益互联和智能世界的核心。
参考文献
[1] IDTechEx, "Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications," IDTechEx, Jan. 11, 2024. [Online]. Available: https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=40634.
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