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引言

图1：针脚栅格阵列与球栅格阵列的对比，说明了从通孔技术向表面贴装技术的演进，后者能够实现更高的连接密度。

这里"海滨区域"的概念变得重要——指的是每平方毫米芯片边缘可用的输入/输出连接数量。传统封装方法严重限制了这种海滨区域的空间，迫使设计人员在功能性和物理约束之间做出妥协。先进封装技术通过复杂的重分布层和多层互连策略，大幅扩展了可用的海滨区域。

第二个主要驱动因素涉及功耗效率优化。PCB上较长的信号走线需要更强的驱动线路来确保连接间的信号完整性，这直接增加了功耗。先进封装使互连距离大大缩短，以毫米而非厘米为计量单位，允许降低驱动强度，从而减少每次信号传输的功耗。

从传统封装向先进封装的转变从根本上改变了我们对系统架构的思考方式。传统封装主要作为保护外壳和单个芯片与外部线路板之间的简单电气接口。先进封装更像是微型系统，集成了多个有源组件、复杂的布线网络和专用的热管理解决方案。

图2：焊盘限制芯片的概念，显示了焊盘要求如何决定芯片尺寸而非实际线路。

这种架构演进需要新的设计方法。传统的顺序设计方法——芯片设计师完成工作后再交给封装工程师——对于先进封装而言是不够的。相反，成功的实现需要并行、协作的设计过程，其中热、电和机械考虑在所有封装组件中同时进行优化。

Chiplet架构的出现体现了这种转变。设计人员可以将功能分割到多个较小的芯片上，而不是创建越来越大的单体芯片，后者会变得异常昂贵且良率受限。这些Chiplet通过封装内的高密度、短距离连接进行通信，实现了传统方法无法实现或经济上不可行的系统级性能。

先进封装引入了新的空间组织概念，通常使用维度术语来描述，虽然在几何上不是严格准确的，但提供了有用的概念框架。2.5D封装将多个芯片并排放置在公共中介层上，使组件之间能够横向通信，同时保持各个芯片的可访问性以进行测试和热管理。

图3：基本先进封装组件，显示了基板、中介层和各种连接类型（包括微凸点、凸点和焊球）之间的层次关系。

3D封装涉及组件的实际垂直堆叠，以高带宽存储器(HBM)配置为例，多个存储器芯片垂直堆叠以创建密集、高性能的存储器子系统。这些3D配置需要复杂的硅通孔(TSV)技术来垂直路由信号通过堆叠，同时管理这种密集配置中固有的复杂热和机械应力。

图4：HBM作为先进封装中的3D堆叠，演示了多个薄化存储器芯片如何通过小间距微凸点和TSV进行通信。

实际实现通常结合两种方法，创建行业专家称为3.5D封装的结构。这些混合配置可能包括横向排列的计算Chiplet和垂直堆叠的存储器，在最大化功能密度的同时优化通信效率和热管理。

任何先进封装的基础都在于基板技术，这一技术已经远远超越了简单的连接重分布。现代封装基板类似于高密度印刷线路板，但运行在更精细的几何尺寸下，并采用更复杂的材料选择。这些基板通常采用构建工艺，从刚性芯开始，添加连续的介电层和金属层来创建复杂的多层布线网络。

中介层代表了封装基板技术的重要进步，在主封装基板和安装组件之间提供中间布线层。硅中介层利用半导体制造工艺实现极其精细的线宽和间距尺寸，实现有机基板无法达到的连接密度。然而，这种能力伴随着增加的成本和制造复杂性。

图5：中介层的顶视图和边视图，显示组件如何通过微凸点连接，而中介层内的层如何在组件之间路由信号并连接到用于基板连接的凸点。

行业积极寻求替代中介层材料以平衡成本和性能。玻璃中介层相比有机材料提供卓越的电气隔离和热特性，同时可能相对于硅降低成本。有机中介层试图将传统PCB制造技术推向更精细的几何尺寸，尽管目前无法匹配硅基解决方案的密度能力。

连接技术的演进与封装复杂程度的广泛提升并行发展。传统的引线键合虽然在成本敏感应用中仍然普遍，但无法支持先进封装所需的连接密度。现代方法倾向于使用各种形式焊料连接的倒装芯片技术，从传统的C4凸点到超细间距微凸点。

图6：主要的键合技术，说明引线键合需要单独的芯片和信号连接，而其他技术则集成了两种功能。

热压键合(TCB)相比传统回流技术代表了重大进步，对单个组件施加局部热量和压力，而不是加热整个Assembly。这种方法减少了翘曲问题，提高了连接可靠性，并实现更细间距的连接，尽管需要更复杂和昂贵的Assembly设备。

连接技术的前沿涉及混合键合，通过将铜焊盘和周围氧化物直接密切接触来完全消除焊料。这种技术承诺实现最精细的可达到间距和卓越的电气性能，但需要极其精确的表面制备和对准，使其主要适用于最苛刻的应用。

先进封装在紧凑体积内集中多个发热组件，产生的热管理挑战往往决定整体系统的可行性。传统封装可以依靠通过封装基板到线路板的相对简单的热路径。先进封装需要复杂的热分析，通常需要专用的热管理组件。

图7：热缓解选项，显示了针对不同封装配置的各种热管理方法，包括散热器、散热片和热管。

先进封装中的有效热管理需要理解热产生模式、组件之间的热耦合以及通过各种封装材料的热阻路径。高性能实现可能包含散热片、专用热通孔，甚至嵌入式蒸汽腔来管理热分布和移除。

热设计过程必须考虑不仅是稳态散热，还有瞬态热行为和热循环对封装可靠性的影响。不同材料之间的热膨胀系数不匹配可能产生机械应力，在重复温度变化中损害连接完整性。

先进封装Assembly代表了精密制造工艺的复杂编排，每个工艺都需要仔细优化以实现可接受的良率和可靠性。Assembly序列通常从基板准备开始，接着使用高精度贴片设备进行组件放置，通过各种键合工艺形成连接，最后进行封装和保护。

图8：倒装芯片封装工艺流程，显示了从助焊剂沉积到最终固化的完整序列。

晶圆级和面板级处理的出现通过在较大基板上同时处理多个封装提供了潜在的成本优势。然而，这些方法引入了在大面积上保持均匀性以及管理在整个Assembly过程中处理薄型大尺寸基板相关的机械应力的新挑战。

随着封装复杂性的增长，质量控制和工艺监控变得越来越重要。先进封装需要复杂的检测技术，通常采用X射线成像来验证内部连接完整性，采用热成像来识别最终Assembly完成前的潜在热管理问题。

先进封装设计需要全新的方法学，远远超越传统的芯片到封装移交模式。成功的先进封装开发需要从项目初期开始的并行工程方法，其中芯片设计师、中介层工程师和封装专家紧密协作。

这种协作设计环境需要新的工具和标准。行业正在开发封装Assembly设计套件(PADK)，类似于使标准化芯片设计流程的工艺设计套件。这些PADK必须包含技术文件、库、Assembly规则、电气规范和制造规则。

热分析成为设计过程中不可分割的一部分，而不是事后考虑。工程师必须在设计阶段模拟整个封装的热行为，确保所有组件都能在其目标功率范围内运行，以便按规格执行。

电源完整性和信号完整性分析必须扩展以包括封装内的所有互连。组件之间的连接虽然比PCB连接短，但仍可能表现出传输线行为，特别是在高频操作下。

先进封装中的测试本质上与单芯片封装中的测试相同，但物流更加困难。测试线路和标准都围绕一个目标：使线路内的潜在缺陷可控制和可观察。如果无法控制某些节点，就无法彻底测试。如果无法观察结果，即使成功应用了测试，也无法看到结果，因此毫无用处。在封装中组合多个芯片使可控制性和可观察性变得更加困难。

多年来，两种互补的测试方法主导了半导体业务。第一种是IEEE 1149.1，也称为JTAG（代表联合测试行动小组——最初定义标准的委员会）。第二种是所谓的可测试性设计。

图9：基本JTAG扫描链测试板连接。左侧的寄存器加载数据，然后时钟传输到右侧，在那里捕获数据并扫描回来。

内部测试标准同时适用于数字逻辑，但不适用于模拟块。该标准正在增强以处理模拟线路。目前称为IEEE P1687.2（P表示正在进行的工作），将补充IEEE 1687。当与参考值比较时，允许对关键参数结果进行数字化。

图10：具有两个芯片和一个HBM堆叠的示例封装。一个芯片有两个数字块和一个模拟块。数字块显示通过IEEE 1687进行测试；模拟块通过未来的IEEE 1687.2进行测试。HBM堆叠可以通过JTAG测试其逻辑，MBIST测试存储器单元。

先进封装测试所需的最终能力是能够将单个芯片和其他组件测试组合成单个统一扫描链的软件。这种能力对于生成先进封装测试是必要的。

先进封装与标准封装有相同的基本可靠性问题，但由于新材料和共同封装的组件数量而被放大。最大的问题涉及三个方面——共面性、电迁移和热机械效应。

对于具有许多连接的任何芯片（如BGA封装的典型情况），共面性始终很重要。如果与安装的基板或中介层不共面，那么一些焊球可能无法接触。这种情况将是测试失败，单元不会发货给客户。但如果共面性偏差不大，那么焊球可能在某些焊盘上形成连接不良——这些连接可能在机械冲击或过多热循环后松动。

电迁移长期以来一直是一个问题，特别是在硅上。这是电流密度的函数，高电流实际上推动金属原子移动。由于硅芯片相比PCB具有非常精细的金属线，往往具有更高的电流密度，因此更容易发生迁移。

热考虑包括两个重要方面。第一个简单地是移除芯片内部产生的热量的能力。对于多个组件，如果这些组件单独封装，可能产生比单独封装时更高的热量。如果热量无法充分逸出，结温将升得过高，芯片将停止正常工作。

先进封装包含多个芯片以及其他组件——硅或其他材质。芯片可能受到保护，但如果不额外考虑，就没有统一的安全性保护整个封装内容。芯片保护已经有充分的记录，但先进封装的额外考虑没有。

2.5D和3D配置的考虑不同。一般来说，多芯片堆叠将更难探测和逆向工程——特别是在HBM等情况下，堆叠由相同尺寸的Chiplet组成。随着3D连接演进为混合键合，实际上将两个Chiplet的氧化物和铜编织在一起，由于更难分离Chiplet以及这种技术允许的更精细间距和更小焊盘，逆向工程将变得更加困难。

攻击缓解的三个主要方面是保护已经为Chiplet设置的封装组件、一般流量和侧信道漏洞。中介层容易受到探测和逆向工程的攻击。非破坏性探测只有在顶部可访问层暴露关键信号时才可能。如果关键信号埋在内层，探测变得更加困难。

先进封装技术持续快速发展，每年都有新方法出现。一些将保留，另一些将随着更好想法的成功而消失。未来几年，领先的封装技术每年都会有所不同。

行业正朝着更高集成度、更细间距连接和更复杂的热管理解决方案发展。新材料不断被引入以改善电气性能、热传导和机械可靠性。制造工艺继续发展以支持更小的特征尺寸和更紧密的公差。

设计工具必须跟上这些技术进步，提供更复杂的建模和仿真能力。标准化工作继续进行，以实现不同供应商和技术之间的互操作性。

先进封装技术代表半导体行业对传统缩放效益放缓的响应。通过创建超越单个芯片边界的新集成范式，这些技术承诺维持推动整个电子生态系统持续创新的性能改进和功能增强。在这一领域的成功需要不仅仅是技术进步，还需要系统设计、供应链协调和行业合作的新方法。

参考文献