Advanced Semiconductor Packaging 2025-2035: Forecasts, Technologies, Applications
半导体封装技术的发展
据麦姆斯咨询介绍，半导体封装已从传统的1D PCB设计发展到晶圆级3D混合键合。这一进步使互连间距达到了个位数的微米范围，带宽高达1000 GB/s，同时还能保持较高的能效。先进半导体封装技术的核心是2.5D封装（将组件并排放置在中介层上）和3D封装（垂直堆叠有源芯片）。这些技术对未来的高性能计算（HPC）系统至关重要。
半导体封装技术的发展路线图
2.5D封装技术涉及各种中介层材料，每种材料都有其明显的优点和缺点。硅（Si）中介层材料包括全无源硅晶圆和局部硅桥，以便实现最精细的布线功能而著称，是高性能计算的理想选择。然而，它们的材料和制造成本都很高，而且在封装面积上也面临限制。为了解决这一问题，局部硅桥的形式越来越受到重视，在超细间距至关重要的应用中战略性地利用硅。
有机中介层，使用扇出成型化合物，相比硅是一种更具成本效益的替代品。它们的介电常数较低，可有效减少封装中的RC延迟。尽管具有这些优点，有机中介层仍难以实现与硅基封装相同水平的精细互连，从而限制了它们在高性能计算中的应用。
另一方面，玻璃中介层吸引了业界极大的兴趣，特别是在英特尔（Intel）近来公布了基于玻璃的测试载板封装。玻璃具有可调热膨胀系数（CTE）、高尺寸稳定性、光滑平整的表面以及可实现面板制造等优势特性，使其成为具有堪比硅布线特性的中介层理想候选材料。然而，玻璃中介层的主要缺点是生态系统还不成熟，目前缺乏大规模生产能力，此外还存在一定的技术挑战。随着生态系统的成熟和生产能力的提高，半导体封装中的玻璃基技术可能会得到进一步的发展和应用。
各种封装技术的最小凸块间距
在3D封装技术方面，Cu-Cu无凸块混合键合技术正在成为一项领先的创新技术。这种先进技术通过将二氧化硅等介电材料与嵌入金属（Cu）相结合来创建永久性互连。Cu-Cu混合键合的间距可低于10微米，通常在个位数的微米范围内，这与传统微凸块技术相比是一项重大改进，传统微凸块技术的凸块间距约为40-50微米。混合键合技术的优点包括增加I/O、提高带宽、改善3D垂直堆叠、提高功率效率，以及由于没有底部填充而减少寄生和热阻。不过，这种技术制造复杂，成本较高。
半导体封装中的互连技术
2.5D和3D封装包含各种封装技术。如上图所示，在2.5D封装中，根据中介层材料的选择，可分为硅基中介层、有机基中介层、玻璃基中介层。同时，在3D封装中，微凸块技术的发展目标是实现更小的间距。然而，通过采用混合键合技术（一种直接连接Cu-Cu的方法），如今实现几个微米的间距尺寸已成为可能，表明该领域取得了重大进展。
值得关注的2.5D和3D封装发展趋势：
更大的中介层区域
IDTechEx此前曾预测，由于硅中介层难以超越3倍光罩尺寸的限制，2.5D硅桥解决方案将很快取代硅中介层，成为封装高性能计算芯片的主要选择。台积电（TSMC）是英伟达（NVIDIA）、谷歌（Google）、亚马逊（Amazon）等主要高性能计算芯片开发商2.5D硅中介层的主要供应商，最近宣布大批量生产3.5倍光罩尺寸的第一代CoWoS_L封装。IDTechEx预计这一趋势将持续下去，并在报告中探讨了主要厂商的进一步进展。
面板级封装
正如2024年台湾半导体展（Semicon Taiwan 2024）所展示的那样，面板级封装已成为一大焦点。这种封装方法允许使用更大的中介层，同时生产更多的封装，从而有助于降低成本。尽管这种方法潜力巨大，但仍需应对翘曲管理等挑战。其重要性日益突出，反映了业界对更大、更具成本效益中介层的需求日益增长。
玻璃中介层
玻璃正在成为实现精细布线的有力候选材料，可与硅媲美，并且具有可调的热膨胀系数（CTE）和更高的可靠性等额外优势。玻璃中介层还与面板级封装兼容，以更易于管理的成本实现高密度布线，是未来封装技术的理想解决方案。
HBM混合键合
3D Cu-Cu混合键合是实现芯片间超细间距垂直互连的关键技术。这项技术已经应用于多款高端服务器产品，包括AMD用于堆叠SRAM和CPU的EPYC，以及用于在I/O块上堆叠CPU/GPU块的MI300系列。混合键合技术有望在未来的HBM技术发展中发挥关键作用，尤其是在16-Hi层或20-Hi层以上的DRAM堆叠中。
共封装光学（CPO）
在对更高数据吞吐量和能效的需求日益增长的推动下，光互连技术获得了巨大发展。CPO正在成为提高I/O带宽、降低能耗的关键解决方案。与传统的电子传输相比，光通信具有诸多优势，包括较低的信号距离衰减、降低的串扰敏感性以及显著提高的带宽。这些优势使CPO成为数据密集型、高能效高性能计算系统的理想选择。
值得关注的关键市场
推动2.5D和3D封装技术发展的主要市场无疑是高性能计算领域。这些先进的封装方法对于克服摩尔定律的限制至关重要，进而在单个封装内实现更多的晶体管、内存和互连。芯片的分解还可以优化不同功能块的工艺节点利用率，例如将I/O层与处理层分离，从而进一步提高效率。
高性能计算芯片集成趋势概览
除高性能计算外，其它市场也有望通过采用先进封装技术实现增长。在5G和6G领域，天线封装和尖端芯片解决方案等创新技术将塑造未来的无线接入网络（RAN）架构。自动驾驶汽车也将从中受益，因为这些技术支持传感器套件和计算单元的集成，以处理大量数据，同时确保安全性、可靠性、紧凑性、电源和热管理以及成本效益。
先进半导体封装关键市场
消费类电子产品（包括智能手机、智能手表、AR/VR设备、个人电脑和工作站等），虽然更加注重成本，但也越来越重视在更小的空间内处理更多的数据。尽管封装方法不同于高性能计算中使用的方法，但先进半导体封装技术将在这一趋势中发挥关键作用。IDTechEx对这些细分领域的应用进行了深入分析，探讨了先进封装技术将如何影响这些行业，并提供了市场预测。
若需要《先进半导体封装技术及市场-2024版》报告样刊，请联系麦姆斯咨询王懿，邮箱：wangyi#memsconsulting.com（#换成@）；电话：17898818163。
