2.5D封裝的下一步發展方向是什么？

（本文編譯自Semiconductor Engineering）

中介層和橋接器是先進封裝中連接多個芯片和芯粒的兩個關鍵元件，它們的構造和組裝方式正在發生根本性的變化。

中介層正變得越來越厚、越來越復雜，而橋接技術則被用來降低組裝成本。這兩種方向都面臨著新的挑戰。

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

同時，硅橋接技術可在嵌入有機中介層或基板中的芯片或芯粒之間實現高密度互連。硅是目前互連密度最高的材料，因此，硅橋接技術的設計理念在于使其體積小、成本低，這與硅中介層形成鮮明對比。然而，組裝良率問題延緩了硅橋接技術最終所能實現的成本優勢。

圖1：中介層與橋接層。

（來源：Semiconductor Engineering）

中介層越來越多

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

目前典型的中介層最多有四層。少數中介層甚至多達十層，隨著新一代HBM內存和更寬接口的出現，這種更厚的中介層將變得越來越普遍。

“在HBM4之后，我們需要八到九層金屬層，”聯電先進封裝總監Pax Wang表示，

然而，這些額外的層數會增加成本。日月光集團高級總監Lihong Cao表示：“為了縮短互連路徑并提高信號完整性，中介層厚度不斷減小。但是，中介層厚度與機械強度和翹曲度之間需要取得平衡?！?/p>

聯電的Wang對此表示贊同?！叭绻覀兿胪ㄟ^增加介電層來增加中介層的厚度，就會引發一些集成問題，”他說道，“例如，無論使用有機材料還是氧化物基材料，都可能導致翹曲?！?/p>

增加層數帶來的挑戰在于保持平整度。層數更多、更厚的中間層容易發生彎曲。但這并非不可克服的障礙。

“只要采用合適的薄膜應力控制技術，就能控制平整度，”Skywater Technology佛羅里達工廠高級副總裁兼總經理Bassel Haddad表示，“但隨著RDL層數的增加，難度也會隨之增加?！?/p>

有源中介層正在興起

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

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

這樣一來，中介層就既是芯片又是互連平臺。接下來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點，二是直接在已選定的中介層節點上構建電路?？紤]到在領先節點上制造大型硅中介層的極高成本，后者通常會占據主導地位。

但有源硅中介層比無源硅中介層貴得多。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?！坝性粗薪閷右肓斯δ軠y試要求、電氣隔離風險和芯片級修復策略，將以前機械或寄生效應導致的良率問題擴展到了電氣方面，”yieldWerx公司的Aslam說道。

有源中介層需要更多測試

目前主流的中介層生產流程不足以生產高質量、高可靠性的有源中介層。如今，除了簡單的開路/短路測試外，還需要進行功能測試，而且這些測試可能涉及模擬電路和數字電路。

電路之間可能也需要電氣隔離，但這對于無源中介層來說并不適用。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雜。深溝槽電容器也越來越多地被應用，但它們是無源元件，有助于保持信號的純凈度。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，其良率至關重要，而對于尺寸最大的中介層來說，這本身就是一個挑戰。增加電路會增加測試過程中出現故障的風險。芯片級修復方案有助于避免原本可能失效的中介層被報廢。

Aslam指出：“對于OSAT以及測試機構而言，檢測策略也在不斷發展。如今，除了X射線和紅外成像之外，電氣連續性和信號完整性監測也發揮著重要作用?！?/p>

實現有源中介層的一個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?！袄脴蚪有酒夹g，設計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勢?！爸悄苤薪閷拥母拍羁赡懿粫?，但它的價格確實很高，安靠科技（Amkor Technology）芯粒/倒裝球柵陣列集成事業部副總裁Mike Kelly表示，“不過，一旦將晶體管連接到中介層上，這片中介層晶圓的價值就會大大提升?！?/p>

避免硅材料的高昂成本

2.5D封裝領域的許多舉措都圍繞著降低中介層成本展開。一種方法是尋找比硅更便宜的材料。有機中介層在材料和制造成本方面都更低，因為它是在面板上而非晶圓上制造的。硅需要背面研磨來暴露硅通孔（TSV），而有機中介層則無需這些工藝步驟。

封裝基板等有機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。要實現5μm的線間距，則需要潔凈室。代工廠當然擁有這樣的潔凈室，但如果OSAT廠商想要自行生產這些中介層，潔凈室則意味著一筆不小的投資。

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

在集成三維堆疊結構（例如HBM）時，由于焊盤間距越來越小，使用有機材料降低成本變得更加困難。目前正在努力開發相關技術，但這仍處于研究階段。

Skywater公司的Haddad表示：“我認為硅中介層和有機中介層最終會共存，但它們會逐漸向有機中介層靠攏。只有在需要特定功能時，你才會看到硅中介層?！?/p>

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，距離真正投入生產還有數年時間?！安Ａе薪閷泳嚯x量產可能還有好幾年的時間，”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。“其優勢在于信號損耗更小，尤其對于光信號而言，而且易于實現光的穿透、切換、變換和傳輸，”Wang表示。

目前行業尚未做好迎接玻璃的準備。玻璃需要一個龐大的生態系統來建立所有設備和標準化體系，預計將在2027/2028年左右出現?！?/p>

橋接技術尚未完全降低成本

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。每個橋接器的尺寸都小得多，從而可以提高良率。一個橋接器（或多個橋接器）的成本將遠低于一個硅中介層的成本。

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。”

其思路是將橋接結構嵌入有機材料中，通常是封裝基板，但也可能是有機中介層。首先在有機材料中形成一個空腔。然后插入橋接結構，并調整其位置，使封裝上的焊盤與橋接結構良好接觸。

鑒于封裝基板始終存在，有些人可能會認為中介層并非必要?！澳壳罢谟懻撝T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）結合使用，并將芯片橋接到基板上呢？’”Wang表示。

而這正是當今最大的挑戰——對準。事實證明，對準難度極大，良率也很低。這使得橋接芯片的凈成本可能超過硅中介層。問題不在于橋接芯片本身，而在于低良率。

對齊并非僅對橋接芯片上方的芯片才需要。在橋接線筆直的情況下，芯粒之間也必須對齊。但在這種情況下，偏移很常見，這意味著由于芯片偏移，橋接芯片上從一個芯片到另一個芯片的直線圖案可能會錯過兩端的一個或兩個焊盤。

Multibeam公司表示可以修復此類偏移。“在架設這些橋接結構時，會出現一些偏移，這也是部分屈服強度問題的原因所在，”Multibeam公司技術副總裁Ted Prescop說道，我們可以利用這些偏移進行圖案化處理。”

這項技術可以制造納米級（最小可達30納米）的線/間距，而傳統光刻技術只能制造微米級的線/間距。但其挑戰在于，每個芯片都必須單獨進行圖案化，這會影響生產效率。

圖2：采用直接寫入電子束校正芯片放置偏差。

（來源：Multibeam）

雖然這看起來工作量很大，但總比直接報廢要好?！傲硪环N方法是把特征做得非常大，這樣即使存在機械偏移，也能有足夠大的著陸平臺來彌補，”Prescop指出，“但這樣一來，就失去了小特征帶來的很多優勢。”如果能解決良率問題（而良率問題造成的損失更大），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集成領域的主要材料，該領域目前由少數幾家大型企業主導。有機中介層正在崛起，隨著時間的推移，可能會從硅中介層手中搶走一部分市場份額，但不會全部被取代。與此同時，玻璃中介層尚未實現量產。

至于橋接器件，它們的潛力尚未得到充分發揮。良率是亟待解決的關鍵問題。如果能解決這個問題，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，也應該能夠節省成本。