2.5D封裝的下一步發(fā)展方向是什么？

（本文編譯自Semiconductor Engineering）

中介層和橋接器是先進(jìn)封裝中連接多個(gè)芯片和芯粒的兩個(gè)關(guān)鍵元件，它們的構(gòu)造和組裝方式正在發(fā)生根本性的變化。

中介層正變得越來(lái)越厚、越來(lái)越復(fù)雜，而橋接技術(shù)則被用來(lái)降低組裝成本。這兩種方向都面臨著新的挑戰(zhàn)。

中介層實(shí)際上是一個(gè)平臺(tái)，可以在其上組裝多個(gè)組件，類似于微型PCB。目前主要材料是硅，即使采用較早的工藝節(jié)點(diǎn)制造，其尺寸也使其價(jià)格昂貴。它們通常用于處理高密度互連，同時(shí)將I/O、電源和接地信號(hào)傳遞到下方的封裝基板。

同時(shí)，硅橋接技術(shù)可在嵌入有機(jī)中介層或基板中的芯片或芯粒之間實(shí)現(xiàn)高密度互連。硅是目前互連密度最高的材料，因此，硅橋接技術(shù)的設(shè)計(jì)理念在于使其體積小、成本低，這與硅中介層形成鮮明對(duì)比。然而，組裝良率問(wèn)題延緩了硅橋接技術(shù)最終所能實(shí)現(xiàn)的成本優(yōu)勢(shì)。

圖1：中介層與橋接層。

（來(lái)源：Semiconductor Engineering）

中介層越來(lái)越多

人工智能正在推動(dòng)中介層復(fù)雜性的增長(zhǎng)。“我們現(xiàn)在看到更厚的中介層，金屬層也更多，以適應(yīng)人工智能和高性能計(jì)算芯片所需的高密度布線和高電流路徑，”YieldWerx首席執(zhí)行官Aftkhar Aslam表示。

目前典型的中介層最多有四層。少數(shù)中介層甚至多達(dá)十層，隨著新一代HBM內(nèi)存和更寬接口的出現(xiàn)，這種更厚的中介層將變得越來(lái)越普遍。

“在HBM4之后，我們需要八到九層金屬層，”聯(lián)電先進(jìn)封裝總監(jiān)Pax Wang表示，

然而，這些額外的層數(shù)會(huì)增加成本。日月光集團(tuán)高級(jí)總監(jiān)Lihong Cao表示：“為了縮短互連路徑并提高信號(hào)完整性，中介層厚度不斷減小。但是，中介層厚度與機(jī)械強(qiáng)度和翹曲度之間需要取得平衡。”

聯(lián)電的Wang對(duì)此表示贊同。“如果我們想通過(guò)增加介電層來(lái)增加中介層的厚度，就會(huì)引發(fā)一些集成問(wèn)題，”他說(shuō)道，“例如，無(wú)論使用有機(jī)材料還是氧化物基材料，都可能導(dǎo)致翹曲。”

增加層數(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)在于保持平整度。層數(shù)更多、更厚的中間層容易發(fā)生彎曲。但這并非不可克服的障礙。

“只要采用合適的薄膜應(yīng)力控制技術(shù)，就能控制平整度，”Skywater Technology佛羅里達(dá)工廠高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Bassel Haddad表示，“但隨著RDL層數(shù)的增加，難度也會(huì)隨之增加。”

有源中介層正在興起

目前使用的中介層絕大多數(shù)是無(wú)源的。它們的作用僅限于提供互連，其主要特征是金屬線。然而，硅中介層由半導(dǎo)體材料制成，其半導(dǎo)體特性可以應(yīng)用于晶體管。

日月光的Cao表示：“有源中介層正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是在集成電源管理、I/O和光器件的AI/HPC應(yīng)用中。但由于成本、良率和散熱管理方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，目前它主要局限于高端和定制解決方案。”

這樣一來(lái)，中介層就既是芯片又是互連平臺(tái)。接下來(lái)必須在兩種方案之間做出選擇：一是選擇能夠支持所需晶體管性能的中介層工藝節(jié)點(diǎn)，二是直接在已選定的中介層節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建電路。考慮到在領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)上制造大型硅中介層的極高成本，后者通常會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

但有源硅中介層比無(wú)源硅中介層貴得多。如今，良率不僅僅意味著擁有合格的金屬線，晶體管的性能也必須出色。“有源中介層引入了功能測(cè)試要求、電氣隔離風(fēng)險(xiǎn)和芯片級(jí)修復(fù)策略，將以前機(jī)械或寄生效應(yīng)導(dǎo)致的良率問(wèn)題擴(kuò)展到了電氣方面，”yieldWerx公司的Aslam說(shuō)道。

有源中介層需要更多測(cè)試

目前主流的中介層生產(chǎn)流程不足以生產(chǎn)高質(zhì)量、高可靠性的有源中介層。如今，除了簡(jiǎn)單的開(kāi)路/短路測(cè)試外，還需要進(jìn)行功能測(cè)試，而且這些測(cè)試可能涉及模擬電路和數(shù)字電路。

電路之間可能也需要電氣隔離，但這對(duì)于無(wú)源中介層來(lái)說(shuō)并不適用。這使得目前主要集中于氧化物和金屬沉積及圖案化的工藝變得復(fù)雜。深溝槽電容器也越來(lái)越多地被應(yīng)用，但它們是無(wú)源元件，有助于保持信號(hào)的純凈度。溝槽也可能是防止電路相互干擾的必要措施。

由于此類中介層成本高昂，其良率至關(guān)重要，而對(duì)于尺寸最大的中介層來(lái)說(shuō)，這本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)。增加電路會(huì)增加測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。芯片級(jí)修復(fù)方案有助于避免原本可能失效的中介層被報(bào)廢。

Aslam指出：“對(duì)于OSAT以及測(cè)試機(jī)構(gòu)而言，檢測(cè)策略也在不斷發(fā)展。如今，除了X射線和紅外成像之外，電氣連續(xù)性和信號(hào)完整性監(jiān)測(cè)也發(fā)揮著重要作用。”

實(shí)現(xiàn)有源中介層的一個(gè)步驟是將其他芯片嵌入基板或中介層中，而不是將其安裝在其上方。“利用橋接芯片技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以將電源管理集成電路（PMIC）、電容器和電感器集成到基板或中介層中，從而提高其能效，”Wang表示。

盡管成本較高，但有源中介層仍有潛在的優(yōu)勢(shì)。“智能中介層的概念可能不會(huì)消失，但它的價(jià)格確實(shí)很高，安靠科技（Amkor Technology）芯粒/倒裝球柵陣列集成事業(yè)部副總裁Mike Kelly表示，“不過(guò)，一旦將晶體管連接到中介層上，這片中介層晶圓的價(jià)值就會(huì)大大提升。”

避免硅材料的高昂成本

2.5D封裝領(lǐng)域的許多舉措都圍繞著降低中介層成本展開(kāi)。一種方法是尋找比硅更便宜的材料。有機(jī)中介層在材料和制造成本方面都更低，因?yàn)樗窃诿姘迳隙蔷A上制造的。硅需要背面研磨來(lái)暴露硅通孔（TSV），而有機(jī)中介層則無(wú)需這些工藝步驟。

封裝基板等有機(jī)元件的金屬線間距通常為10μm，但這不足以滿足中介層互連的密度要求。要實(shí)現(xiàn)5μm的線間距，則需要潔凈室。代工廠當(dāng)然擁有這樣的潔凈室，但如果OSAT廠商想要自行生產(chǎn)這些中介層，潔凈室則意味著一筆不小的投資。

ABF膜使得高性能有機(jī)中介層成為可能，其支持的速度比基板和PCB中常用的傳統(tǒng)材料更高。雖然它比傳統(tǒng)材料貴得多，但從材料成本的角度來(lái)看，它仍然比硅便宜。

在集成三維堆疊結(jié)構(gòu)（例如HBM）時(shí)，由于焊盤間距越來(lái)越小，使用有機(jī)材料降低成本變得更加困難。目前正在努力開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，但這仍處于研究階段。

Skywater公司的Haddad表示：“我認(rèn)為硅中介層和有機(jī)中介層最終會(huì)共存，但它們會(huì)逐漸向有機(jī)中介層靠攏。只有在需要特定功能時(shí)，你才會(huì)看到硅中介層。”

玻璃也可以用成本更低的面板制成，因此也在考慮之列。不過(guò)，距離真正投入生產(chǎn)還有數(shù)年時(shí)間。“玻璃中介層距離量產(chǎn)可能還有好幾年的時(shí)間，”Wang提醒道。

玻璃不能用作電活性中介層，但可以承載光子元件。“其優(yōu)勢(shì)在于信號(hào)損耗更小，尤其對(duì)于光信號(hào)而言，而且易于實(shí)現(xiàn)光的穿透、切換、變換和傳輸，”Wang表示。

目前行業(yè)尚未做好迎接玻璃的準(zhǔn)備。玻璃需要一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)建立所有設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)化體系，預(yù)計(jì)將在2027/2028年左右出現(xiàn)。”

橋接技術(shù)尚未完全降低成本

最有希望降低成本的途徑之一是使用硅橋接器代替硅中介層。每個(gè)橋接器的尺寸都小得多，從而可以提高良率。一個(gè)橋接器（或多個(gè)橋接器）的成本將遠(yuǎn)低于一個(gè)硅中介層的成本。

Cao表示：“與全中介層相比，嵌入式硅橋能夠以更低的成本提供高密度互連和更短的延遲。”

其思路是將橋接結(jié)構(gòu)嵌入有機(jī)材料中，通常是封裝基板，但也可能是有機(jī)中介層。首先在有機(jī)材料中形成一個(gè)空腔。然后插入橋接結(jié)構(gòu)，并調(diào)整其位置，使封裝上的焊盤與橋接結(jié)構(gòu)良好接觸。

鑒于封裝基板始終存在，有些人可能會(huì)認(rèn)為中介層并非必要。“目前正在討論諸如‘為什么不放棄中介層，直接使用ABF基板，或者將其與DTC（深溝槽電容器）結(jié)合使用，并將芯片橋接到基板上呢？’”Wang表示。

而這正是當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)——對(duì)準(zhǔn)。事實(shí)證明，對(duì)準(zhǔn)難度極大，良率也很低。這使得橋接芯片的凈成本可能超過(guò)硅中介層。問(wèn)題不在于橋接芯片本身，而在于低良率。

對(duì)齊并非僅對(duì)橋接芯片上方的芯片才需要。在橋接線筆直的情況下，芯粒之間也必須對(duì)齊。但在這種情況下，偏移很常見(jiàn)，這意味著由于芯片偏移，橋接芯片上從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片的直線圖案可能會(huì)錯(cuò)過(guò)兩端的一個(gè)或兩個(gè)焊盤。

Multibeam公司表示可以修復(fù)此類偏移。“在架設(shè)這些橋接結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些偏移，這也是部分屈服強(qiáng)度問(wèn)題的原因所在，”Multibeam公司技術(shù)副總裁Ted Prescop說(shuō)道，我們可以利用這些偏移進(jìn)行圖案化處理。”

這項(xiàng)技術(shù)可以制造納米級(jí)（最小可達(dá)30納米）的線/間距，而傳統(tǒng)光刻技術(shù)只能制造微米級(jí)的線/間距。但其挑戰(zhàn)在于，每個(gè)芯片都必須單獨(dú)進(jìn)行圖案化，這會(huì)影響生產(chǎn)效率。

圖2：采用直接寫入電子束校正芯片放置偏差。

（來(lái)源：Multibeam）

雖然這看起來(lái)工作量很大，但總比直接報(bào)廢要好。“另一種方法是把特征做得非常大，這樣即使存在機(jī)械偏移，也能有足夠大的著陸平臺(tái)來(lái)彌補(bǔ)，”Prescop指出，“但這樣一來(lái)，就失去了小特征帶來(lái)的很多優(yōu)勢(shì)。”如果能解決良率問(wèn)題（而良率問(wèn)題造成的損失更大），那么增加的縫合成本或許是值得的。

硅材料目前仍是首選

就目前而言，硅中介層仍然是2.5D集成領(lǐng)域的主要材料，該領(lǐng)域目前由少數(shù)幾家大型企業(yè)主導(dǎo)。有機(jī)中介層正在崛起，隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)從硅中介層手中搶走一部分市場(chǎng)份額，但不會(huì)全部被取代。與此同時(shí)，玻璃中介層尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

至于橋接器件，它們的潛力尚未得到充分發(fā)揮。良率是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。如果能解決這個(gè)問(wèn)題，將有助于降低2.5D集成成本。如果可能，將它們嵌入基板而非中介層中，也應(yīng)該能夠節(jié)省成本。