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半导体先进封装的未来挑战

半导体芯科技SiSC 来源:半导体芯科技SiSC 作者:半导体芯科技SiS 2022-06-21 14:10 次阅读

来源:半导体芯科技Simon编译

随着芯片设计的异质性和应用的针对性越来越强,由此变化带来的问题也越来越多,这使得我们很难确定问题的根源或预测出错的原因以及什么时候出错。

对这些变化带来的问题,一般仅限于最先进的节点工艺。在这种节点上晶体管密度最高,而且制造工艺仍在微调中。这就是为什么设计规则随着新节点的引入而变得更加严格,而后,随着这些工艺的成熟而逐渐宽松。但是,随着新的多芯片架构的出现,这些变化的来源和影响的数量正在增加。

产生变化的原因很多,变化的形式也很多。它可以表现在从光刻到清洁和抛光的所有方面,甚至是用于蚀刻或沉积气体中。它也可以表现为不同的噪音来源,影响信号完整性。它还可能出现在封装中的芯片之间或封装本身的互连中。

当涉及到封装中的异质芯片时,封装的形式因素(x,y,z)成为变化的主要来源。这通常是由于基材的尺寸较大,导致了一系列的工艺挑战。其中,最大的两个是翘曲管理和可靠性管理。

先进封装中使用的键合/解键和互连也存在差异。"例如,有大规模回流焊、热压焊和激光辅助键合互连选择的线束,或线束加倒装芯片与各种被动元件的组合。对于每一种工艺,在温度、应力残留和可能的隐形微裂纹方面都有很多变化。

在某些情况下,这种变化可能是叠加的。因此,虽然EUV中的随机性可能不会在单个芯片中造成问题,但与封装中的其他芯片/小芯片以及其他变化源结合起来,它们会影响产量或影响设备的长期可靠性。

更麻烦的是,这些设计中有许多是针对特定领域的。比如,汽车CPUAI芯片与服务器或AR耳机芯片的设计有很大的不同。它们很可能得不到更大规模的产量,进而推进最先进节点开发芯片的诞生;而那些产量数以亿计的芯片则需要经过许多周期的测试,由此,我们必须区分随机的问题和系统性的问题。

几十年前,我们已经能充分理解封装的变化;但在先进节点和先进封装中,变化的影响正在增长和扩大。Amkor公司先进封装和技术副总裁Mike Kelly指出,随着工作电压的降低,变异的影响也在增加,因为公差更严格。节点越老,它对电压变化等事情的容忍度就越高。"

随着我们走向更多的定制封装,有更多的I/O,更细的间距,以及更少的空间来放置这些器件,这使我们可以进行更多的定制。

对于处理异质性问题,我们需要进行权衡。关键是如何将影响降到最低。在90纳米或45纳米工艺制程时,我们可能没有被注意到是,当同一芯片或小芯片与其他相同或不同节点的器件,一起被放入先进封装时可能会出现问题。若仅用3D工艺进行晶圆的表面检查,这远远不够。因为大部分的导电性是垂直于图像平面的,而电气在线检查非常重要。

系统设计者可以选择不同的封装类型,并将功能集成到一个封装中。每种软件包都有优点和缺点,而且软件包的价格也不同。因此,对于系统设计者来说,决定哪种类型的封装适合特定的应用很重要,如果决定错了,就很难再回到设计过程中去,因为很多详细设计部分已经就位。先进封装变得复杂,也包括芯片的移动,单个芯片在晶圆水平上粘合在一起时的翘曲,以及材料的变化,如薄膜和基材。其中一些微小的变化,检查难以发现它们。

芯片制造中,性能、功率、面积和成本是我们必须考虑的因素。我们如何得到最佳的平衡,每个人的方法不一。我们可以采用不同元素组合的化合物半导体制作晶圆。这些化学元素组合非常灵活,而且其配比并非都一样。它们有的非常坚硬,在某些情况下能高度受力和被扭曲,而在另外某些情况下则不然。我们必须处理所有这些问题。工艺方案以及我们的材料和工艺技术存在不同的变异性。这种变化也会因其他变异而变得更加复杂。比如,如果开始有翘曲,那么就用某种限制技术或粘合技术来处理,但他们仍然无法消除,现在又在这个基础上做别的事情,给这种复杂性又增加了一成。

这些变化带来的一个更大挑战是封装中部件的不均匀老化。这可能因终端应用、个人使用情况或位置以及开发不同芯片或芯片组的工艺节点而不同。但是,对于为汽车等应用开发的封装来说,它变得更具挑战性,这些车规器件需要10~20年的保障期。

在最先进的工艺几何上,同构计算的成本变得高昂。仅仅在单一芯片上放置更多的晶体管,使得性能、功率和面积/成本等方面不会有显著的的改善。但是,构建具有多个芯片的复杂定制包可能是一项复杂而昂贵的工作。

随着封装行业的成熟,该行业可能会围绕某些架构和平台,选择许多特性良好的元件来解决。但是,变化将继续成为一个问题,因为在这些封装内发生的事情更多。随着封装越来越密集,变异将产生一些意外的影响,这些影响需要在设计、制造流程、甚至进入现场的所有阶段加以识别和处理。这将需要更好的EDA工具、更统一的封装方法--基本上是新的平台--以及更多的可追溯性和对所涉及的各个部分的监控的组合。

先进封装是未来的趋势,这将需要整个芯片行业做出巨大的集体努力,以使其能够持续、可靠、快速地工作,从而在应用领域中进入市场窗口。

审核编辑:汤梓红

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