在半導體技術的飛速發展中,摩爾定律一度被視為不可逾越的巔峰,然而隨著其優勢逐漸達到極限,業界對于芯片性能提升的關注點開始轉向后端生產,特別是封裝技術的創新。先進封裝技術,作為半導體技術的下一個突破點,正以其獨特的優勢引領市場的新一輪增長。
傳統上,封裝工藝在半導體生產流程中一直被視為后端環節,往往被低估其重要性。原因有兩點:首先,使用老一代設備仍然可以封裝晶片。其次,封裝大多由外包的半導體組裝和測試公司(OSAT)完成,這些公司主要依靠低廉的勞動力成本而非其他差異化競爭。然而,隨著技術的進步和市場的變化,封裝技術不再只是簡單的保護芯片免受外界環境侵害的手段,而是成為提升芯片性能、滿足新興應用需求的關鍵所在。先進封裝技術的出現,正是對這一轉變的最好詮釋。
傳統封裝技術
線鍵技術是一種互聯技術,它利用焊球和細金屬線將印刷電路板與芯片連接起來,這種技術在20世紀50年代開發,至今仍在使用。與封裝芯片相比,它所需空間較小,可連接相對較遠的點,但在高溫、高濕和溫度循環條件下可能會失效,而且每個鍵必須按順序形成,這就增加了復雜性,并且減慢了制造速度。數據機構預測,到2031年,焊線市場價值將達到160億美元,年復合增長率為2.9%。
封裝技術的第一次重大演變出現在20世紀90年代中期的倒裝芯片上,這種芯片使用面朝下的芯片,芯片的整個表面積都通過焊接"凸點"用于互連,將印刷電路板與芯片粘合在一起。這使得外形尺寸或硬件尺寸更小,信號傳輸速率更高,即信號從發射器到接收器的傳輸速度更快。倒裝芯片封裝是目前最常見、成本最低的技術,主要用于中央處理器、智能手機和射頻系統級封裝解決方案。倒裝芯片可以實現更小的組裝,并能承受更高的溫度,但必須安裝在非常平整的表面上,而且不易更換。目前的倒裝芯片市場規模約為270億美元,預計年復合增長率為6.3%,到2030年將達到450億美元。
先進封裝關鍵技術
先進封裝技術,顧名思義,是對傳統封裝技術的升級與改進。傳統的封裝技術如線鍵合和倒裝芯片雖然在過去半個世紀中發揮了巨大作用,但隨著技術的不斷進步和應用的多樣化,其局限性也日益凸顯。線鍵合技術雖然連接靈活,但在惡劣環境下容易失效,且制造速度較慢;而倒裝芯片技術雖然實現了更小的組裝尺寸和更高的信號傳輸速率,但對安裝表面的平整度要求較高,且不易更換。因此,尋找一種更加高效、可靠的封裝技術成為了行業的迫切需求。
自2000年以來,已有三種主要的先進包裝技術投入商用,補充了上半個世紀盛行的兩種技術。
先進封裝有助于滿足目前主流的新興應用,例如5G、自動駕駛汽車和其他物聯網技術,以及虛擬現實和增強現實技術。這些應用需要能夠快速處理海量數據的高性能、低功耗芯片。先進封裝技術通過將多個芯片組合在一起,可以實現更高效的信號傳輸和數據處理,從而提升整個系統的性能。
其次,先進封裝技術能夠通過優化封裝結構和工藝,可以減少原材料的消耗和浪費,降低制造成本。同時,由于封裝尺寸的縮小,也可以減少印刷電路板等配套設備的使用,進一步降低成本。并且,通過采用更加先進的材料和工藝,可以有效防止化學污染以及光、熱和撞擊的損害,從而提高產品的使用壽命和穩定性。
正是基于這些優勢,先進封裝技術自2000年左右推出以來,便獲得了巨大的發展勢頭。目前,市場上已經出現了多種先進的封裝技術,如2.5-D、3-D、扇出式和系統級芯片(SoC)封裝等。這些技術不僅彌補了傳統封裝技術的不足,還為半導體行業的發展帶來了新的機遇。
晶圓級封裝