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先进封装是NAND的未来吗?那性能和容量已经到了瓶颈了吗?(图文)

时间:2021-08-08 作者:Ho-Young Son 阅读:
随着半导体产业的竞争趋于白热化,人们对于芯片设计的关注逐渐向封装工艺转移,并且越来越多的人认为芯片封装的改良能实现芯片更薄更小、性能更高和功耗更低的景愿,同时也更好
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随着半导体产业的竞争趋于白热化,人们对于芯片设计的关注逐渐向封装工艺转移,并且越来越多的人认为芯片封装的改良能实现芯片更薄更小、性能更高和功耗更低的景愿,同时也更好的迎合了半导体小型化和市场需求。

Wire bond、TSV(硅通孔)、Fan-out WLP(晶圆级扇出)封装技术示意图

封装技术

芯片本身是很脆弱的,所以封装就是将一颗颗芯片封闭包裹起来,保护其内部不受任何损伤,并且还要让内部芯片和外部的锡球、金手指相连;以前通常认为这个工艺是半导体内部最简单的一环,但是随着芯片的纳米制程越来越小和芯片越来越薄,封装工艺相对落后,其方式方法造成的物理限制问题尤为突出,所以目前封装工艺比之前吸引了更多的目光和关注。

NAND存储巨头包括三星、西数、美光和海力士等集团公司,其中海力士认为封装是和客户密切相关的一环,会直接决定成品交付,所以性能和质量都十分重要。

重新定义和思考封装技术

这十年来随着存储器产品对高性能和高容量的不断发展,重布线层(RDL)倒装芯片(flip-chip)/硅通孔(TSV)等技术发展迅猛,有很多已经成熟运用到了封装内部。这些技术打破了传统的芯片级封装方法,在单个硅晶片或堆叠芯片的晶圆上进行加工,极大地提高了产品性能和容量。举例来说,SK hynix 正在以行业领先的 TSV 堆叠技术引领市场,如高带宽内存(HBM) ;还有用于服务器的高密度内存(HDM)的三维堆叠(3DS)等技术。

封装技术演变进程

在2016年,SK hynix首次采用“Mass-reflow”技术,通过将四层50um厚的芯片垂直堆叠,利用硅通孔将其连接起来,成功开发出了一种用于3DS内存颗粒;后来将这项技术又用于8层的HBM封装中,通过多个Dummy TSV(用于散热的连接通孔)并且在芯片间填充了特殊的高导热材料,使得芯片具有优良的散热性能。


FOWLP 技术及其DIE-First和RDL-first技术路线

注:

重布线层(RDL):重新布线技术,RDL在已经制成的晶圆上再重新布线,通过一个额外的金属布线层到达接口pad重新分配。

倒装芯片(Flip-Chip):利用芯片上的微型凸点焊球,通过加热融化冷却焊接来实现芯片和芯片或者基板间的键合方法。

硅通孔(TSV):在芯片内部形成多个贯穿的微型通孔,通过垂直堆叠能实现两颗芯片导通,这种方面面积小,封装薄,I/O口数量多,高带宽和低功耗。

大规模底部填充回流成型:多个芯片堆叠再利用特殊材料进行内部填充,利用回流将芯片连接起来,是TSV和倒装芯片的一个演进版本。

 

采用硅通孔技术的内存产品

容量需求提升带动芯片技术发展

在HBM芯片封装中采用的TSV技术一般是4层到8层之间,通过硅通孔和微型凸点连接也基本是界内共识,而随着存储类器件对于容量的需求不断提高,未来12层乃至16层的TSV技术都要实现量产。所以为了达到这个目的,不仅要减小芯片厚度和凸点尺寸,还要运用到混合结合技术,去除芯片间的填充物,直接在铜电极上相连。

与使用微凸点技术相比,混合键合可以显著减小连接尺寸,增加单位面积的I/O口数量,大大降低功耗;同时减小间隔和填充物不仅增加了容量还改善了散热性能,有效的解决了功耗和性能增加带来的散热不良问题。

 

使用微凸点和混合键合的垂直层压示意图

注:

混合键合:一种键合铜电极和无机绝缘层等金属电极的方法,作为一种将至少两个不同芯片集成到一个封装中的方法,混合键合能降低互连间距,可以广泛应用于各类封装SoC和存储器件中。

平衡容量与散热

除了封装中TSV技术的革新,目前业界还需要一种提升系统容量和高速I/O的存储芯片异构集成解决方案,在提升单个封装内存容量的同时,还要兼顾散热和高温性能的问题。所以另一种封装技术----晶圆级扇出封装(WLP)应运而生,利用在晶圆表面金属层重新布线,将晶圆的I/O口连接到外部的方式现在也已经广泛应用于APs和电源管理芯片中。这种技术可以通过使用重分配层代替基底来减小封装的厚度,并且研究表明,这种技术能够显著提升散热能力,所以在存储类产品中也有类似的研究。

晶圆级扇出封装流程示意图

此外为了解决存储器件的功耗和容量问题,异构集成也是一个方向,目前在WLP Fan-out技术加持下,内存产品有了性能和容量的高速提升,并且其他类型的封装在结合TSV和RDL等多种技术能够产生出更多更好更快的芯片颗粒。当然由于存储类芯片要有足够的容量,所以芯片垂直堆叠再扇出的WLP结构是难点也是关键,不仅要保证制程过程中电气连接的参数指标,还要兼顾产能和良率,这些都比一层芯片的封装要困难的多。

使用了TSV和WLP Fan-out技术的三维堆叠封装现在十分火热,预计年增长率在20%和15%左右,先进的技术能够解决目前产品的各种局限,而且随着新技术的开发,TSV和WLP也都在进行自我演化,而且存储类产品的性能很大程度上也依赖于封装技术的先进程度,所以先进封装技术的蓝海还很广阔,还需要更多的有识之士的加入。

责编:我的果果超可爱

编译自:Advanced Packaging Technologies Overcoming the Memory System Performance and Capacity Limitation

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