先进封装实现不同技术和组件的异构集成

摘要

先进的封装技术可以将多个半导体芯片和组件集成到高性能的系统中。随着摩尔定律的缩小趋势面临极限，先进封装为持续改善计算性能、节能和功能提供了一条途径。但是，与亚洲相比，美国目前在先进封装技术方面落后。本文总结了美国在11月最新发表的国家先进封装制造计划（NAPMP）的产业咨询委员会（IAC）提出的建议，以增强美国在先进封装技术领域的领先地位。这些建议旨在建立试产线、升级电子设计自动化工具、创建数字孪生、制定大胆目标、扩大大学项目，以及进行差距分析。通过战略投资和公私合作，美国能够在这个关键技术领域重新取得领先。

简介

半导体技术的发展动力源于摩尔定律，即芯片晶体管数量约每两年翻一番的趋势。这种持续缩小带来了计算性能和功能的指数增长。然而，随着传统缩小趋势面临巨大挑战和高昂成本，基本物理极限正在显现。由于传统缩小速度正在放缓，先进的半导体封装提供了能持续摩尔定律缩小潜在利好的途径。封装技术使多个半导体芯片和组件能够集成为高度集成的系统级封装（SiP）（图1）。封装互连实现了组件之间的高速、高密度通信。先进封装可以集成不同工艺和技术的芯片，形成异质集成解决方案。

图1. 先进封装的截面图，显示多个半导体芯片和组件集成成系统级封装（SiP）。

美国半导体行业开启了早期电子系统领域的诸多发展。但是，近几十年来，半导体制造和封装转移到了亚洲。美国在全球半导体制造能力中的份额从1990年的37%下降到2021年的12%。在先进封装领域也出现类似趋势，目前亚洲占据着主导地位。

2022年的芯片法案旨在通过对研发和制造的投资来重振美国在半导体领域的领先地位。国家先进封装制造计划（NAPMP）的任务是强化美国先进的封装技术能力。本文总结了NAPMP的产业咨询委员会（IAC）根据他们的深入研究提出的建议。这些建议为提升美国的先进封装技术，重建全球领先地位提供了策略。

试制生产能力

美国先进封装技术创新的基本障碍是国内最先进的试制生产线不足。几乎所有晶圆级和面板级封装制造商都在亚洲。IAC通过公私合作和制造激励措施，建议在美国建立晶圆级和面板级封装的试制线（建议2和3）。试制线应与研发中心共同设置，以加速从创新到产品的转化。此外，美国目前在先进封装基板方面的能力非常有限。IAC建议至少激励一家领先的基板制造商在美国建立试制线和研发中心（建议3），先进基板如玻璃互连器对尖端封装至关重要。这些试制生产能力将为美国的先进封装研发、原型制作和人才培养奠定必要的基础。此外，根据功能验证，试制线可以成为构建商业规模制造的核心。

研发项目

IAC报告建议实施研发项目，来确定了关键的技术差距并解决这一问题。一个领域是开发关键工艺，如晶圆凸点间距低于5μm和混合晶圆对晶圆键合（建议4）。这种细间距互连对异构集成至关重要。另一个提议是大大改进电子设计自动化（EDA）工具，用于复杂2.5D和3D封装的协同设计和多物理建模（建议5）。此外，报告还鼓励开发数字孪生，深度集成建模、仿真与实际工艺和制造（建议6）。数字孪生将加速学习和优化。

大胆目标

IAC建议为NAPMP制定一个大胆的目标（建议7），提出的两个定量的重大目标是：

先进封装能力的生产力提高10倍

环境足迹和能耗减少10倍

这些大胆目标将推动研发和基础设施投资，显着提高自动化，降低成本并减少环境影响。实现这些目标将使美国的先进封装设备比亚洲的设备更具竞争力。

大学项目

引领先进技术的关键驱动力是健全的大学研究和教育体系。不幸的是，目前仅有约5所美国大学有重要的先进封装项目。IAC建议将具有重要封装项目的大学数量增加一倍，并扩大现有项目的师资力量和能力（建议8）。这种大学研究和教学的扩充将为美国先进封装人才培养注入关键力量。

新兴技术

先进封装实现了不同技术和组件的异构集成。IAC认为，硅光子技术是作为一项新兴技术，大量投资可以助力美国的领先地位（建议9）。硅光子技术有望彻底改变计算、通信、传感和制造。但是，仍需创新解决方案以实现低成本的光子集成和封装。NAPMP在这些领域的战略投资可以催生美国硅光子技术的领先。

生态系统分析

最后，IAC建议对美国先进封装生态系统进行详细的调查和差距分析（建议10）。该研究需要对设备、材料、基板、组装、测试等世界最高水平的国内能力和标杆管理进行评价。这一分析有助于对需求最多的领域进行战略性投资。

结论

随着传统缩小趋势放缓，先进的半导体封装技术将发挥越来越重要的作用。IAC的提案为通过对试制生产、研发、基础设施和人力资源开发的战略投资，来重建美国在先进封装领域的领先地位提供了策略。如果执行得当，美国可以重新建立先进封装技术创新强国的地位。美国半导体制造业的未来竞争力很大程度上取决于封装技术的合理发展。

来源：逍遥设计自动化

审核编辑：汤梓红