2024-09-23
AI、深度學習、云計算、超算等前沿科技驅(qū)動科技飛躍，共同基石為高性能芯片。谷歌、亞馬遜、英特爾、英偉達、AMD等全球科技巨頭正深耕該領域；華為、阿里、百度、騰訊等中國企業(yè)亦積極貢獻，共促AI浪潮。未來，CPU、GPU、ASIC、FPGA等智能硬件芯片將迎來爆發(fā)式增長。
半導體及芯片發(fā)展延續(xù)摩爾定律，追求晶體管制程縮小以提升性能、降功耗、減成本。但納米級制程面臨量子隧穿效應導致的技術(shù)障礙和高成本低良率挑戰(zhàn)。蘋果等通過談判降低成本應對。摩爾定律放緩下，先進封裝技術(shù)成關(guān)鍵，通過優(yōu)化連接集成不同元件，提升集成度，降低成本。帶倒裝芯片、晶圓級封裝、系統(tǒng)級封裝及2.5D/3D封裝等均為先進封裝代表，后者增速領先。
什么是2.5D封裝？TrendForce報告稱，聊天機器人等生成式AI應用的激增，促使2023年AI服務器開發(fā)顯著擴張并高度依賴高端芯片，預計2024年將推動先進封裝產(chǎn)能增長30%~40%。先進封裝位于晶圓制造與封測交集，涉及IDM、代工及封測企業(yè)，市場高度集中。全球六大廠商占超80%份額，含英特爾、三星（IDM），臺積電（代工），及日月光、Amkor、JCET（封測前三）。
Yole報告預測，2021年先進封裝市場規(guī)模達375億美元，占整體44%，預計2027年將增至53%，約650億美元。其中，2.5D/3D封裝廣泛用于(x)PU、ASIC、FPGA、3D NAND、HBM、CIS等。2.5D封裝技術(shù)自2010年代興起，為異構(gòu)芯片高密度集成提供解決方案，采用三層立體結(jié)構(gòu)：芯片微凸塊倒裝、含TSV介質(zhì)層連接上下層、介質(zhì)層倒裝至基板。此復雜結(jié)構(gòu)旨在縮短芯片間距離，提升運算速度、信號質(zhì)量并降低能耗，推動封裝技術(shù)進入2.5D時代。
HBM需高連接密度，傳統(tǒng)FCBGA無法滿足，故采用2.5D硅介質(zhì)層技術(shù)。SoC設計多樣，部分采用2.5D封裝整合SerDes與主芯片。高端芯片趨向多小芯片設計，通過2.5D封裝提升良率、降低成本。2.5D中TSV技術(shù)實現(xiàn)高密度連接，OSAT廠完成。Amkor引領2.5D封裝，推出CoS與CoW平臺，分別自2014年和2018年量產(chǎn)。CoS先貼介質(zhì)層再貼芯片，采用RDL First提升良率。
CoW封裝是CoS的升級，利用硅晶圓作基板，先芯片貼介質(zhì)層再晶圓級塑封，最后連基板。其優(yōu)勢在于增強的物理結(jié)構(gòu)，適應大芯片與介質(zhì)層封裝。HDFO作為無TSV的CoW變種，實現(xiàn)高密度連接與低成本，是異構(gòu)封裝新趨勢，已應用于網(wǎng)通、服務器及GPU/FPGA。臺積電CoWoS技術(shù)結(jié)合CoW與oS，提升性能、降低功耗并縮小尺寸，鞏固其封裝技術(shù)領導地位。CoWoS關(guān)鍵技術(shù)涵蓋多芯片集成、高密度硅介質(zhì)層互連及高效散熱。
CoWoS封裝高效散熱，維持高性能計算穩(wěn)定，通過多層熱沉、TSV及復雜熱管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化散熱。其非凝膠型TIM提升熱導率與可靠性。高集成度下，CoWoS雖成本高但散熱優(yōu)越。CoS則簡化封裝，低熱阻但高功率下散熱受限，需額外散熱措施。金剛石熱沉材料因其卓越熱導率等特性，成為熱管理新寵。
當前，Si、SiC、GaN等半導體材料熱導率有限，難以滿足大功率電子器件散熱需求。金剛石以其超高熱導率成為未來散熱方案焦點，單晶與多晶均優(yōu)于傳統(tǒng)材料。金剛石與半導體直連技術(shù)是關(guān)鍵，直接影響散熱效果，主要方式包括沉積工藝和低溫鍵合技術(shù)。
直接在半導體器件上沉積金剛石可提高散熱，但面臨熱膨脹適配和CVD工藝高溫刻蝕挑戰(zhàn)。低溫鍵合技術(shù)可規(guī)避此問題，用金剛石作熱沉基板，簡化制備工藝。然而，低溫鍵合對表面平整度等要求高，控制難度大，良品率低，尤其是大尺寸樣品。目前，間接連接封裝如焊料軟釬焊等工藝在半導體行業(yè)更成熟，適用于大規(guī)模應用。
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