简介
半导体行业确定了五大增长引擎（应用）：移动、高性能计算 （HPC）、自动驾驶汽车、物联网 （IoT） 和大数据/边缘计算。先进封装技术通过提高速度、互连密度和功率耗散，在实现这些应用方面发挥着重要的作用。本文将探讨各种先进封装技术，包括 2D、2.1D、2.3D、2.5D 和 3D IC 集成，重点是Chiplet设计和异质集成封装。
图 1 根据密度和性能划分的先进封装等级
图 2 先进封装的分组：2D、2.1D、2.3D、2.5D 和 3D 集成电路封装倒装芯片凸点和接合/组装
倒装芯片凸点是先进封装的关键工艺。使用最广泛的凸块是可控塌陷芯片连接 （C4） 凸块和芯片连接 （C2） 凸块，也称为微凸块 （μbump）。图 3 展示了 C4 和 C2 凸块的晶圆凸起工艺。
图 3 晶圆凸块：a C4 工艺和 b C2 工艺。C2 凸块由带焊帽的铜柱组成，与 C4 凸块相比具有更多优势，包括更精细的间距能力、更好的热性能和电气性能，如表 1 所示。
表 1. C4 凸块与 C2 凸块的比较：凸块间距和自对准。
倒装芯片键合/组装方法包括大规模回流焊、低力或高力热压焊（TCB）以及无缓冲混合键合。图 4 描述了这些方法。
混合键合
混合键合也称为直接键合互连 （DBI），是一种无缓冲、低温键合技术，可同时形成电气互连并键合芯片或芯片。图 5 展示了 DBI 的关键工艺步骤。
如图 6 和图 7 所示，索尼公司率先在其 IMX260 背面发光 CMOS 图像传感器（BI-CIS）的大批量生产中使用了 DBI。台积电、英特尔、SK 海力士和 IMEC 等其他公司也在探索混合键合。
图 6 索尼通过混合键合技术制造的 CMOS 图像传感器
图 7 索尼未来的 CMOS 图像传感器技术如图 8 所示，台积电的系统集成芯片（SoIC）技术采用无熔点铜-铜混合键合技术进行芯片集成，与传统倒装芯片技术相比，具有更优越的电气性能和更高的互连密度。
图 8 a 台积电的混合接合 SoIC。b 电气性能：c 凸点密度性能：SoIC 混合接合与传统倒装芯片接合的比较英特尔的 FOVEROS Direct（如图 9 所示）是混合键合技术，可实现低至 10 微米的焊盘间距和每平方毫米 10，000 个无凸块互连，超越了传统的 50 微米间距微凸块倒装芯片技术。
图 9 英特尔的混合接合（FOVEROS Direct）： 微凸块与无凸块SK Hynix 展示了用于堆叠 DRAM 的晶圆到晶圆铜铜混合键合技术，如图 10 所示。
图 10 SK Hynix 的三片晶圆混合接合二维集成电路集成
二维集成电路集成是指在同一封装基板或扇出再分布层（RDL）基板上至少有两个芯片。图 11 和图 12 提供了二维集成电路集成的示例，可通过各种封装技术实现，如倒装芯片、焊线、扇出芯片先封装或芯片后封装。
图 11 二维集成电路集成实例。
图 12 扇出 RDL 基底面上四个芯片的异质集成2.1D 集成电路集成
如图 13 所示，2.1D 集成电路集成是在积层封装基板或高密度扇出 （HDFO） 基板上直接制造精细的金属线宽和间距 （L/S） 薄膜层。与二维集成电路集成相比，这能实现更高的互连密度和更好的电气性能。
图 13 a 2.1D、b 2.3D 和 c 2.5D/3D 集成电路集成示意图2.3D 集成电路集成
如图 14 所示，在 2.3D 集成电路集成中，多芯片由无机或有机无硅通孔（TSV）interposer（基板）支持，然后连接到封装基板上。与 2D 和 2.1D 集成电路相比，具有更高的互连密度和性能。
图 14 Shinko 的 2.1D 集成电路集成：i-THOP（集成薄膜高密度有机封装）2.5D 集成电路集成
如图 15 所示，2.5D 集成电路集成涉及由无源 TSV interposer支撑的多芯片，然后将其连接到封装基板上。与 2D、2.1D 和 2.3D 集成电路集成相比，能提供更高的互连密度和性能。
图 15 JCET 的 2.1.D 集成电路集成：uFOS（超规格有机基板）三维集成电路集成
在三维集成电路集成中，多芯片由有源 TSV interposer支撑，然后连接到封装基板上，如图 16 所示。在所讨论的先进封装技术中，这种方法具有最高的互连密度和性能。
图 16 a 嵌入有机封装基板和 Agilex FPGA 模块的英特尔 EMIB（嵌入式多芯片互连桥接器）Chiplet设计和异质集成封装
Chiplet 设计和异质集成封装为系统级芯片 （SoC） 设计提供了替代方案，尤其适用于先进节点。通过将 SoC 划分为针对不同工艺节点和功能进行优化的较小芯片，然后通过先进的封装技术进行集成，Chiplet设计具有提高产量、降低开发成本和增加灵活性等优势。
先进封装的基底
根据应用对尺寸、引脚数、金属线宽和间距的要求，高级封装采用不同的基板。图 17 展示了用于高级封装的各种基板。
图 17 IBM 的 DBHi（直接键合异质集成）芯片间的横向通信
如图 18 所示，嵌入有机积层封装基板的硅桥、扇出式环氧树脂模塑化合物 （EMC） 或柔性桥可促进芯片之间的横向通信。
图 18 应用材料公司通过扇出芯片（桥接器）首层芯片面朝上工艺在 EMC 中嵌入的桥接器。b 欣兴电子公司通过扇出芯片（桥接器）首模朝下工艺嵌入 EMC 的桥接器。2022 年，美国专利号：11，410，933。扇入和扇出封装
如图 19 所示，扇入式封装（如六面模压晶圆级芯片级封装 （WLCSP））可提供紧凑的外形尺寸。扇出封装有芯片先入、芯片后入和其他配置，可提供更高的输入/输出（I/O）密度和更好的热性能和电气性能，如图 1.20 所示。
图 19 EMC 中嵌入桥接器的示例a TSMC 的 LSI（本地硅互连）。b SPIL 的 FO-EB（扇出嵌入式桥接器）。c Amkor 的 S-Connect。
图 20 SUN Microsystems 的柔性电桥低损耗介质材料
对于先进封装中的高速和高频应用，低损耗介电材料很重要，可最大限度地减少信号损耗，实现更好的电气性能。
结论
先进封装技术，包括 2D、2.1D、2.3D、2.5D 和 3D 集成电路集成，以及Chiplet设计和异质集成封装，在推动半导体行业增长方面发挥着重要的作用。
混合键合、扇入和扇出封装以及低损耗介电材料的使用等技术有助于提高互连密度、改善电气性能和加强热管理。随着对高性能计算、自动驾驶汽车和其他新兴应用的需求不断增长，先进封装仍将是半导体创新的重要推动力。
参考文献
[1] J. H. Lau, Chiplet Design and Heterogeneous Integration Packaging. 1st ed. 新加坡：Springer, 2023.
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