三维晶圆级先进封装技术的创新发展

芯思想 2019-03-25


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,Wafer Level Package)、硅通孔技术(TSV,Through Silicon Via)、2.5D Interposer、3D IC、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1000µm提高到1µm,甚至亚微米,提高了1000倍。

 

1 主要封装技术发展


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。


2展示了当前主流的先进封装技术平台,包括Flip-ChipWLCSPFan-OutEmbedded IC3D WLCSP3D IC2.5D interposer7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。  

 

2 先进封装技术平台与工艺

 

2、晶圆级三维封装技术发展


2.1 2.5D/3D IC技术


为解决有机基板布线密度不足的问题,带有TSV垂直互连通孔和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(Interposer),应用TSV转接板的封装结构称为2.5D Interposer。在2.5D Interposer封装中,若干个芯片并排排列在Interposer上,通过Interposer上的TSV结构、再分布层(Redistribution LayerRDL)、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FPGACPU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100µm。台积电2010年开展2.5D TSV转接板,即CoWoS技术研发,采用65纳米工艺线,线宽可以达到0.25µm,实现4层布线,为FPGA、GPU等高性能产品的集成提供解决方案。


赛灵思Xilinx)型号为“Virtex-7 2000T FPGA”的产品是最具代表性的产品之一。如图3所示,基于2.5D转接板技术的Virtex-7 2000T FPGA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28nm FPGA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。

 

3 (a)赛灵思Virtex-7 2000T FPGA结构示意图


3 (b)赛灵思Virtex-7 2000T FPGA扫描电镜切片截面图

(图片来源:B. Banijamali et  al., ECTC 2011, pp 285


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4xnm 8GB内存上就首次使用了TSV2011年又完成了3xnm 32GB2014三星电子采用先进的2xnm工艺,利用TSV打造的DDR4内存条,单条容量高达64GB2015三星电子将这一容量翻了一番,开始量产128GB TSV DDR4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144DDR4内芯片,每一颗容量8Gb(1GB),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(High Bandwidth MemoryHBM)。HBM是一种基于3D堆叠工艺的高性能DRAM,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堆叠没有以物理方式与CPUGPU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AMD Radeon Fury系列显示核心。201310HBM成为了JEDEC通过的工业标准,第二代HBM——HBM2,也于20161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——Tesla P100AMDRadeon RX Vega系列、英特尔(Intel)Knight Landing也采用了HBM2


AMD的Radeon Vega GPU中使用的HBM2,由88Gb 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5000TSV,在一个HBM2中,超过40000TSV通孔。

 

4 AMD Radeon Vega GPU & HBM2 集成


5总结了近几年高性能3D TSV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。

 

5 高性能3D TSV产品路线图


2.2先进晶圆扇出技术


英飞凌(Infineon)于2004年提出晶圆级扇出eWLBEmbedded Wafer Level BGA)技术。如图6所示,通过芯片埋入到模塑料重构圆片,把I/0从芯片表面扇出到芯片和模塑料重构表面,以满足BGA焊球节距要求。因此,对比WLP扇入封装,扇出封装对于芯片I/O数目,封装尺寸没有限制,可以进行多芯片的系统封装。进一步地,晶圆级扇出技术取消了基板和凸点,不需倒装工艺,具有更薄的封装尺寸、优异的电性能、易于多芯片系统集成等优点。英飞凌的eWLB技术授权给日月光(ASE)、星科金朋(STATS ChipPACK,后被长电科技收购)、 Nanium(后被Amkore)收购。飞思卡尔(Freescale)几乎与英飞凌同时提出了类似概念,被称为RCP技术,2010年授权给Nepes

 

6 扇出封装三维结构示意图


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、RDLUBMBGA、打标、划片等工艺。

 

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InFO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。


8展示了台积电InFO技术,通过将芯片埋入模塑料,以铜柱实现三维封装互连。InFO技术为苹果A10A11A12处理器和存储器的PoP封装提供了新的封装方案,拓展了WL-FO的应用,让Fan-Out技术成为行业热点。

 

 

8 (a)台积电InFO技术示意图

(图片来源:C. F. Tseng et al., ECTC 2016, pp 1


8 (b) 苹果A11处理器InFO封装切片图


A11处理器尺寸10mm×8.7mm, A10处理器小30%以上,塑封后表面3层布线,线宽8µm,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。A11处理器InFO PoP的封装尺寸13.9×14.8mm,与A10相比小8%,厚度790µm。台积电InFO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,即使在最初良率很低的情况下,台积电也能持续进行良率提升,这对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2.5D TSV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SLIM3D SWITT以及两种技术(图9)。SLIM利用前道代工,在硅片表面的无机介质层上制作1µm,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,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。

 

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(FO ECP)的研发,FO ECP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。

 

FO ECP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BGAQFNSOP等封装,FO ECP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FO ECP生产线建设,2016年成功量产,并持续导入新品。


10 FO ECP单芯片示意图,芯片尺寸为0.55mmx0.47mm(图片来源:长电先进)


11 FO ECP多芯片示意图(图片来源:长电先进)


12 (a)单颗FO ECP俯视图(图片来源:长电先进)


12 (b)两颗FO ECP俯视图(图片来源:长电先进)


FO ECP技术具有以下优势:

1)多功能ECP平台,可实现高级系统级集成;

2)灵活地集成来自不同工艺,制造源和硅晶圆节点的芯片,以增强功能;

3)出色的机械、电气和热性能;

4)可以适应新的半导体先进制程节点应用需求;

5)可用于Fan-in WLPFan-out WLP

6)能够克服圆片翘曲;

7FO ECP有一个现在Die First FO不具备的优点是:成功解决晶圆重构中芯片偏移问题,从而可适用于超小尺寸芯片(最小0.3mm*0.3mm)的FO和多芯片集成FO


国内另一封测企业华天科技2015年开始扇出封装技术开发,与使用模塑料塑封不同,华天科技开发了埋入硅基板扇出型封装技术eSiFO®embedded Silicon Fan-out)。如图13所示,eSiFO®使用硅基板为载体,通过在硅基板上刻蚀凹槽,将芯片正面向上放置且固定于凹槽内,芯片表面和硅圆片表面构成了一个扇出面,在这个面上进行多层布线,并制作引出端焊球,最后切割,分离、封装。


13 华天科技eSiFO®示意图


eSiFO®技术具有如下优点:

1)可以实现多芯片系统集成SiP,易于实现芯片异质集成

2)满足超薄和超小芯片封装要求,细节距焊盘芯片集成(<60µm),埋入芯片的距离可小于30µm

3)与标准晶圆级封装兼容性好

4)良好的散热性和电性

5)可以在有源晶圆上集成

6)工艺简单,翘曲小,无塑封/临时键合/拆键合

7)封装灵活:WLP/BGA/LGA/QFP

8)TSV技术结合可实现高密度三维集成


基于eSiFO®技术的产品包括RF TransceiversControllerSensors4G射频前端、毫米波芯片,FPGA等等。图14展示了两个芯片集成的SiP封装。特别的,这里两个芯片同时置于一个异形腔体内,芯片之间的距离只有几十微米。这样保证了芯片间高密度的互连。图15展示了40GHz 扇出集成产品,电学测试完全满足设计要求,产品已进入量产。

 

14 两颗芯片SiP集成(图片来源:华天科技)

 

15 40GHz扇出集成(图片来源:华天科技)


2.3晶圆级三维集成新趋势


1总结了目前几种晶圆级三维封装集成技术比较。TSV转接板CoWoS技术在高性能集成领域优势明显,只是成本过高,只适合高端产品。SLIM目的是取代TSV转接板的一种无TSV封装技术。与TSV转接板相比,eWLB、InFO、SWIFT、ECPeSiFO都具有成本优势,实际上扇出封装的整体市场还不大,除去InFOAP上大规模应用,缺乏规模化量产应用。需要解决的是良率、可靠性,以及具体产品应用时,和传统封装的性价比情况。

 

1 几种三维晶圆级技术比较


最近,台积电又提出了SoICSystem on Integrated Circuit)的概念。如图16所示,该技术本质上属于3D IC技术范畴,主要采用为W2WC2W混合键合技术,实现10µm以下I/O节距互连,减少寄生效应,提高性能。芯片本身可以具有用于三位互连的TSV结构,由于取消了凸点,集成堆叠的厚度更薄。该技术适于多种封装形式,不同产品应用。此技术不仅可以持续维持摩尔定律,也可望进一步突破单一芯片运行效能瓶颈。


16 台积电SoIC技术示意图


为了满足多芯片超薄、超小、三维高密度系统集成需求,2019320日,华天科技(昆山)电子有限公司在SEMICON China发布了埋入集成系统级芯片技术的概念(Embedded System in ChipeSinC ®)。如图17所示,eSinC®技术采用高精度硅刻蚀形成空腔,将不同芯片或器件埋入硅晶圆。通过高密度再布线将芯片互连,通过在扇出的硅片上制作via last TSV来实现垂直互连。通过微凸点/键合胶混合键合,通过C2W或者W2W方式实现芯片三维堆叠。与台积SoIC技术相比,采用微凸点互连,节距在50µm以上。采用这种方案,芯片内部不用制作TSV,降低工艺难度,节省芯片面积。基于上述优异特性,eSinC®得到用户的高度重视。该技术可实现不同功能、不同种类和不同尺寸的器件高密度集成,集成后的芯片还可以采用多种灵活的封装方案。

 

17 eSinC ®示意图(图片来源:华天科技)

 

18展示了一个80µm芯片埋入到180µm硅基板,TSV直径120µm,用来实现三维互连。


18 eSinC ®样品(图片来源:华天科技)


2019年319日,中芯长电发布世界首个超宽频双极化的5G毫米波天线芯片晶圆级集成封装SmartAiP®Smart Antenna in Package)工艺技术,这是SmartAiP® 3D-SiP工艺平台首次在具体市场领域得到应用SmartAiP®通过超高的垂直铜柱互连提供更强三维(3D)集成功能,加上成熟的多层双面再布线(RDL)技术,结合晶圆级精准的多层天线结构、芯片倒装及表面被动组件,使得SmartAiP®实现了5G天线与射频前端芯片模块化和微型化的高度集成加工,具有集成度高、散热性好、工艺简练的特点。


3、Foundry与OAST竞争


先进封装技术越来越依赖于先进制造工艺,越来越依赖于设计与制造企业之间的紧密合作,因此,具有前道工艺的代工厂或IDM企业在先进封装技术研发与产业化方面具有技术、人才和资源优势,利用前道技术的封装技术逐渐显现。


台积电近年来成为封装技术创新的引领者。从台积的CoWoSInFO,再到SoIC,实际上是一个2.5D、3D 封装,到真正三维集成电路,即3D IC的过程,代表了技术产品封装技术需求和发展趋势。作为封测代工企业(OSAT),面临前道企业在先进封装技术领域的竞争,必须寻求对应低成本高性能封装技术,展开差异化竞争,才能在激烈的竞争中不断发展。


表二给出了台积电(TSMC)与华天科技三维晶圆级技术比较,可以看到,在2.5D/3D IC领域,台积电以via middleCoWoS方案为高性能芯片,华天科技以的via last技术的3D WLCSP/3D IC为传感器、传感器与ASIC芯片提供三维集成方案。在三维扇出领域,台积电InFO技术为AP三维集成提供解决方案,采用200µm直径铜柱进行三维互连。华天科技硅基扇出(eSiFO®由于采用via last TSV,可以实现高密度三维互连,具有优越性。埋入系统集成(eSinC®)技术的互连密度与SoIC相比差距较大,但工艺难度低、成本低。总体而言,封测企业与制造企业在2.5D/3D细节距互连方面有较大差距,需要进一步加强相关技术研发。

 

2 台积电与华天三维晶圆级技术比较


4.总结


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对先进封装提出更高要求,封装技术发展迅速,创新特别活跃,竞争特别激烈。先进封装向着系统集成、高速、高频、三维、超细节距互连方向发展;晶圆级三维封装成为多方争夺焦点,台积电成为封装技术创新的引领,利用前道技术的前道封装技术逐渐显现。高密度TSV技术/FO扇出技术成为新时代先进封装的核心技术。技术本身不断创新发展,以应对更加复杂的三维集成需求。其中针对高性能CPU/GPU应用,2.5D TSV转接板作为平台型技术日益重要。存储器,特别是HBM产品,得益于TSV技术,带宽得到大幅度提升。扇出型封装由于适应了多芯片三维系统集成需求,得到了快速发展。多种多样的扇出技术不断涌现,以满足高性能、低成本要求。一些扇出技术的研发是为了取代2.5D高成本方案,但三维扇出的垂直互连密度不高。华天科技昆山提出的硅基扇出(eSiFO®)和埋入系统集成(eSinC®)技术、长电科技/长电先进的FO ECP,为后摩尔时代高性能芯片集成封装提供了新的解决方案,并以此和前道制造企业在先进封装领域展开差异化的竞争,提供低成本、高性能的解决方案。随着新产品应用的不断丰富,新时期集成电路封装产业技术将得到进一步快速发展。


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