2024-09-23
AI、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算、超算等前沿科技驅(qū)動(dòng)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(dá)、AMD等全球科技巨頭正深耕該領(lǐng)域；華為、阿里、百度、騰訊等中國(guó)企業(yè)亦積極貢獻(xiàn)，共促AI浪潮。未來(lái)，CPU、GPU、ASIC、FPGA等智能硬件芯片將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。
半導(dǎo)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(jí)制程面臨量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的技術(shù)障礙和高成本低良率挑戰(zhàn)。蘋果等通過(guò)談判降低成本應(yīng)對(duì)。摩爾定律放緩下，先進(jìn)封裝技術(shù)成關(guān)鍵，通過(guò)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(jí)封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝及2.5D/3D封裝等均為先進(jìn)封裝代表，后者增速領(lǐng)先。
什么是2.5D封裝？TrendForce報(bào)告稱，聊天機(jī)器人等生成式AI應(yīng)用的激增，促使2023年AI服務(wù)器開發(fā)顯著擴(kuò)張并高度依賴高端芯片，預(yù)計(jì)2024年將推動(dòng)先進(jìn)封裝產(chǎn)能增長(zhǎng)30%~40%。先進(jìn)封裝位于晶圓制造與封測(cè)交集，涉及IDM、代工及封測(cè)企業(yè)，市場(chǎng)高度集中。全球六大廠商占超80%份額，含英特爾、三星（IDM），臺(tái)積電（代工），及日月光、Amkor、JCET（封測(cè)前三）。
Yole報(bào)告預(yù)測(cè)，2021年先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模達(dá)375億美元，占整體44%，預(yù)計(jì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)旨在縮短芯片間距離，提升運(yùn)算速度、信號(hào)質(zhì)量并降低能耗，推動(dòng)封裝技術(shù)進(jìn)入2.5D時(shí)代。
HBM需高連接密度，傳統(tǒng)FCBGA無(wú)法滿足，故采用2.5D硅介質(zhì)層技術(shù)。SoC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，通過(guò)2.5D封裝提升良率、降低成本。2.5D中TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度連接，OSAT廠完成。Amkor引領(lǐng)2.5D封裝，推出CoS與CoW平臺(tái)，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(jí)，利用硅晶圓作基板，先芯片貼介質(zhì)層再晶圓級(jí)塑封，最后連基板。其優(yōu)勢(shì)在于增強(qiáng)的物理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)大芯片與介質(zhì)層封裝。HDFO作為無(wú)TSV的CoW變種，實(shí)現(xiàn)高密度連接與低成本，是異構(gòu)封裝新趨勢(shì)，已應(yīng)用于網(wǎng)通、服務(wù)器及GPU/FPGA。臺(tái)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(lǐng)導(dǎo)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(jì)算穩(wěn)定，通過(guò)多層熱沉、TSV及復(fù)雜熱管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化散熱。其非凝膠型TIM提升熱導(dǎo)率與可靠性。高集成度下，CoWoS雖成本高但散熱優(yōu)越。CoS則簡(jiǎn)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(dǎo)率等特性，成為熱管理新寵。
當(dāng)前，Si、SiC、GaN等半導(dǎo)體材料熱導(dǎo)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(dǎo)率成為未來(lái)散熱方案焦點(diǎn)，單晶與多晶均優(yōu)于傳統(tǒng)材料。金剛石與半導(dǎo)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(dǎo)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(wèn)題，用金剛石作熱沉基板，簡(jiǎn)化制備工藝。然而，低溫鍵合對(duì)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(dǎo)體行業(yè)更成熟，適用于大規(guī)模應(yīng)用。
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