先進封裝，碰壁了

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過去幾年，摩爾定律已經轉向先進封裝技術，但這種方法的局限性現在才逐漸顯現出來。

人工智能和高性能計算的設計規模越來越大，結構越來越復雜，這使得封裝力學和工藝控制不再僅僅成為衡量互連密度的瓶頸，而是成為下一個挑戰。隨著結構變得更薄、更大、更異質，翹曲、玻璃脆性、混合鍵合良率、臨時鍵合偏差和基板限制等問題也變得越來越難以控制。

這些問題是今年 iMAPS 大會上反復出現的主題，并在最近的采訪中也多次提及，所有問題都指向同一個結論——包裝行業正在進入一個階段，在這個階段，機械和工藝控制問題正在使持續擴大規模變得復雜。

這一點至關重要，因為封裝如今在系統性能中扮演著越來越重要的角色。過去那種將先進人工智能系統架構視為封裝只是包裹著真正創新核心的被動外殼的做法已經行不通了。電源傳輸、散熱、互連密度、基板特性以及工藝流程等因素都會影響系統的構建方式以及經濟高效的生產方式。

“如今真正驅動性能的不是每個 GPU 的浮點運算次數、萬億次浮點運算次數或千萬億次浮點運算次數，而是系統架構和整個系統的性能，”NVIDIA 高級技術集團總監 Sandeep Razdan 在 iMAPS 的主題演講中說道。

一旦系統架構成為性能驅動因素，封裝就不再是下游實現細節，而是性能等式的一部分。基板、載體、鍵合界面、熱路徑，甚至工藝步驟的執行順序都變得更加重要。

這些因素緊密相連。翹曲會影響夾持和對準。對準會影響粘合良率。玻璃可以提高平整度和尺寸穩定性，但也會引入脆性并導致不同的失效模式。背面加工的減薄取決于臨時粘合材料、研磨均勻性和干凈的脫粘。即使是基板短缺也只是部分供應問題。它們也反映了更廣泛的不確定性，即哪些平臺在機械、電氣和經濟方面仍然能夠滿足先進人工智能封裝的需求。

翹曲問題成為焦點

翹曲或許是解決問題的最佳切入點，因為它潛藏在許多其他問題的根源之中。它并非只是組裝后期才會出現的小麻煩。更多時候，它是堆疊結構從一開始就存在的材料和結構不平衡的最終顯現。隨著封裝尺寸的增大、有機材料上硅層的增多，以及更多具有不同熱學和機械性能的層被推進日益復雜的工藝流程，這些不平衡會變得更加嚴重。

“面板翹曲的根本原因在于疊層中熱機械熱膨脹系數（CTE）不匹配和剛度不平衡，”Brewer Science公司先進半導體封裝戰略技術專家Hamed Gholami Derami表示。“同一疊層中使用了幾種不同類型的聚合物，它們的玻璃化轉變溫度（Tg）各不相同。任何一種材料的玻璃化轉變溫度一旦超過，就會導致模量急劇下降，熱膨脹系數（CTE）增大，從而加劇翹曲。影響面板翹曲的其他因素還包括層厚（與翹曲直接相關）、聚合物固化收縮（導致殘余應力并加劇翹曲）以及疊層中的銅/金屬密度（銅含量越高，翹曲越大）。”

這意味著先進封裝不再是由少數幾種材料構成、相互作用相對可預測的相對簡單的結構，而是機械不對稱的系統。不同的層會以不同的方式膨脹、軟化、收縮和儲存應力。堆疊結構在某一溫度下可能看起來很穩定，但在另一個溫度下卻可能變得不穩定。改善一種材料的固化步驟可能會導致另一種材料的變形。富銅區域雖然可以提高電氣性能，但可能會改變剛度平衡并增加變形。當封裝尺寸增大、對準精度要求降低時，這種影響會變得更加顯著。

“在封裝領域，這簡直是最糟糕的情況，”安靠公司芯片/FCBGA集成副總裁Mike Kelly說道。“你先用高熱膨脹系數的有機基板，然后在上面放很多低熱膨脹系數的硅片。這樣一來，基板的材質就不平衡了，加熱后肯定不會平整。”

這就是為什么在各種會議上，面板級工藝和玻璃級工藝的討論經常重疊的原因。隨著組件尺寸的增大，晶圓級工藝的經濟性和良率優勢逐漸減弱，從而促使人們更加關注面板級工藝。

Synopsys首席產品經理Lang Lin表示： “玻璃與硅是完全不同的材料，其制造工藝也截然不同。玻璃面板尺寸越大，翹曲就越明顯。如今我們談論的是微米級的翹曲，但玻璃的翹曲程度可能更大。在涉及玻璃面板的半導體封裝工藝中，翹曲和殘余應力是會累積的。”

在iMAPS的演講中，無論直接討論的是扇出型芯片、玻璃載體還是更先進的芯片堆疊技術，都反復出現這種擔憂。在大尺寸和小間距的情況下，曾經可以通過工藝調整來糾正的輕微彎曲，現在卻可能引發一系列問題，包括對準問題、操作困難和良率下降。

“我們會事先進行一定程度的建模來模擬翹曲，然后可以通過一些手段來控制翹曲，”安靠晶圓服務業務部高級經理Knowlton Olmstead說道。“在組裝過程中，可以容忍一定程度的翹曲，但如果翹曲過大，則會導致問題。”

翹曲不僅僅是模擬結果或材料科學的抽象概念。在某種程度上，它簡化為結構是否還能保持、對齊并可重復加工的問題。

玻璃解決了一些問題，

但也帶來了其他問題

翹曲是玻璃不斷成為先進封裝工藝中面板選項的主要原因之一。從理論上講，它具有許多吸引人的特性。它平整、尺寸穩定，并且比許多有機材料更能與硅相匹配。作為載體，它還為脫粘和對準提供了有用的光學選擇。

“玻璃非常穩定且平整，”日月光電子工程項目經理Wiwy Wudjud表示，“它的熱膨脹系數與硅晶圓的熱膨脹系數非常接近。因此，使用玻璃載體可以顯著減少工藝過程中的翹曲。”

更平坦的結構更容易實現精確鍵合。與硅更接近的熱匹配可以減少主要應力來源之一。對于細間距工藝，這兩點都能直接提高對準精度和工藝重復性。玻璃還具有透明性，這使其在光學對準以及依賴紫外或激光脫鍵的載體應用中極具吸引力。

但玻璃并非消除機械問題，而是轉移了這些問題。雖然它能減少翹曲，但卻引入了一種更脆的材料，其失效模式不同，且對操作不當的容忍度更低。隨著玻璃載體尺寸的增大以及在先進封裝工藝中應用的日益廣泛，邊緣損傷、碎裂、微裂紋和工藝引起的缺陷變得越來越難以忽視。

“玻璃載體不再是一種替代材料，”Wudjud在iMAPS會議上表示。“它有很多優點，但玻璃本身性質脆性較大，這會帶來可靠性問題，尤其是在晶圓邊緣（最薄弱的環節）容易出現裂紋和微裂紋。”

材料可能表面平整、性質穩定且導熱性能優異，但仍可能以難以早期檢測的方式失效。邊緣損傷、微裂紋和累積性操作缺陷在材料對局部損傷的容忍度較低時尤為重要。如果載體被回收再利用，問題會更加嚴重，因為微小缺陷會隨著時間的推移而擴展，在出現更明顯的失效之前降低材料的韌性。

日月光在iMAPS展會上重點討論了這個問題，強調傳統方法并不總是能很好地捕捉到玻璃邊緣損傷。該公司甚至開發了一種擺錘沖擊試驗，用于在更接近實際搬運和包裝應力的條件下評估邊緣韌性。

“最薄弱的環節在邊緣，”Wudjud說。“像玻璃這樣的脆性材料，其失效往往從邊緣開始，而傳統的測試方法并不能完全反映邊緣相關的損傷或真實的使用條件。”

隨著間距縮小，

混合鍵合的難度也隨之增加

混合鍵合通常被視為密度縮減的必然趨勢，在很多方面確實如此。它能夠提供更緊密的芯片間集成所需的互連密度和電氣性能，尤其是在人工智能和高性能計算架構不斷追求更小空間內更高帶寬的情況下。但隨著間距縮小，制造挑戰也在發生變化。在大間距下，良率仍然會受到缺陷和污染的嚴重影響。而在小間距下，應力開始占據主導地位，其影響方式更不易察覺，也更難控制。

“對于間距大于 5 微米的工藝，良率主要由缺陷決定，”Brewer Science公司的Derami說道。“然而，隨著間距的縮小，良率逐漸過渡到應力驅動階段，在間距小于 2 到 3 微米時，良率主要由應力驅動。這主要是由于較小間距下銅密度較高，導致銅膨脹和介電約束引起的機械應力增加。”

這種區別至關重要，因為它改變了混合鍵合的動態特性。污染和形貌控制仍然至關重要，但一旦銅密度增加，界面受到的機械約束增強，封裝就會面臨另一類問題。應力成為主要失效物理機制的一部分，這意味著它不再僅僅是清潔度之后的次要因素。因此，隨著間距的不斷縮小，缺陷控制方面的改進可能不足以維持良率。

“銅混合鍵合對任何類型的顆粒污染都極其敏感，因為它本質上是玻璃與玻璃之間的界面，”Kelly說。“由于沒有有機物合規要求，所以只需要一個納米級的顆粒，就足以將玻璃層剝離，并損壞晶圓上的大量單元。”

在柔性較好的結構中，局部微小缺陷可能被部分吸收或容忍。但在銅混合鍵合中，這種容忍度要低得多。挑戰不僅在于保持表面清潔，還在于控制平整度、氧化物和銅的形貌、退火性能以及高密度互連結構的機械相互作用。

Cadence公司集成電路封裝和產品管理部門總監Mark Gerber在iMAPS大會上發表演講時表示：“從集成電路架構的角度來看，我們首先要考慮的是混合鍵合，因為這是必需的。混合鍵合是必不可少的，而其主要驅動因素是時序方面的考量。在對不同的IP模塊進行芯片設計和集成時，速度和時序敏感性至關重要。”

混合鍵合技術并非因為其簡便易行而備受推崇，而是因為傳統的互連方案在帶寬、延遲和功耗方面日益捉襟見肘。因此，封裝工程師被迫采用一種同時對兩個方面都更加敏感的工藝：它仍然極易受到污染的影響，同時隨著間距的縮小，它也更容易受到應力的影響。工程工程師面臨的挑戰也從解決單一的主要問題轉變為同時解決多個緊密耦合的問題。

這也解釋了為什么仿真和工藝協同優化發揮著越來越重要的作用。企業需要在制造缺陷影響良率之前對翹曲和應力進行建模，這一點尤其適用于混合鍵合，因為微小的幾何或機械偏差都可能在下游引發更大的集成問題。

背面處理成為精度預算的一部分

隨著芯片結構向更薄、更致密、更高性能方向發展，混合鍵合技術更具吸引力，但也使得背面處理變得更加困難。由于芯片減薄程度越來越大，其下方的支撐材料也成為精度預算的一部分。研磨、臨時鍵合、脫粘和清洗不再是能夠容忍較大工藝偏差的次要步驟。

“隨著器件厚度越來越薄，研磨工藝變得更加關鍵，也更具挑戰性，”Derami說道。“臨時粘合材料的總厚度變化直接影響減薄后器件的質量和均勻性，因此必須足夠小，才能實現極薄化，尤其對于HBM DRAM芯片而言。”

過去，臨時粘合材料更多地被視為輔助層，雖然有用，但作用不大。隨著器件厚度不斷減小，情況已截然不同。如果臨時粘合層的厚度變化過大，研磨結果也會隨之變化。這種變化會影響后續的對準、機械穩定性和成品率。載體和粘合劑系統不僅輔助工藝，更有助于確定精度極限。

先進封裝不再是由一系列可以單獨優化的獨立單元工藝組成，而是逐漸演變成一個累積的機械過程。某一步驟中引入的應力會影響下一步驟的可用裕量。一個步驟后輕微的位置偏移會導致下一步驟的對準公差變窄。早期看似可控的翹曲問題，在添加更多層和經歷溫度變化后，可能會變得難以糾正。

Synopsys公司的Lang Lin表示：“每一步都會給系統帶來一定程度的壓力。你必須確保每一步都不會造成過大的壓力，這樣下一步才能順利進行。”

背面加工提供了一種巧妙的布線創新，但也增加了制造難度。它改變了器件結構的支撐、清潔、對準和保持方式。裸露或減薄的硅片有助于散熱路徑設計，但也使封裝的機械不平衡程度增加，并在后續工序中更難處理。

“采用背面供電設計，需要在上面放置載片，因為這樣會將硅片厚度減薄到大約五微米，”安靠公司的凱利說。“幾乎完全去除了硅片，然后將電源和I/O接口從同一側引出，但這與我們通常習慣的引出側相反。”

殘留物和污染物會加重這一負擔。臨時粘合層在脫粘后會留下殘留物，如果清潔不當，這些殘留物會引發后續問題。減薄這一物理過程只是挑戰的一部分。組件還必須從支撐和脫粘工序中徹底清潔，才能順利完成后續工序，而不會引入新的良率限制因素。

基板短缺實際上是基板本身的局限性

多年來，基板短缺一直被視為供應鏈問題，這固然是問題的一部分，但如今的問題遠不止于供應不足。隨著模塊尺寸、功率和復雜性的不斷增長，先進的封裝技術也對傳統基板平臺的性能提出了更高的要求。

“每個人都在追逐這項技術，但市面上卻沒有足夠的 200 毫米基板，”Amkor 的高級副總裁兼主流業務部門總經理 Joe Roybal 說。

需求依然旺盛，但產能卻并非總能與先進封裝方案的需求完全匹配。封裝尺寸的增長速度超過了人們對現有方案在機械和經濟效益方面的信心。

應用材料公司工藝集成工程師 Poulomi Mukherjee 在 iMAPS 會議上表示：“隨著組件尺寸不斷增大，晶圓上能容納的單元數量有限，而且從晶圓級生產來看，成本和良率都不劃算。如果想要滿足市場需求，我們就必須轉向更高尺寸的封裝工藝，也就是面板級工藝。”

這就是為什么玻璃、面板加工和替代基板方案等問題總是反復出現在討論中的原因之一。業界正在尋找一種能夠支持更大尺寸組件、更高集成度以及更嚴苛的散熱和供電要求的平臺，同時又不會因自身機械結構的復雜性而崩潰。問題在于，每一種提出的解決方案都解決了一類問題，卻又暴露了另一類問題。面板加工或許能提高經濟效益，但會加劇翹曲和累積應力。而背面加工方案或許能提升電氣性能，但卻需要更激進的減薄工藝和更嚴格的工藝控制。

顯然，新平臺的采用在不同應用領域并不會趨于一致。iMAPS 大會上，人們對谷歌玻璃的熱情主要源于人工智能、高性能計算和高級集成方面的討論，但這并不意味著每個市場都準備好采取同樣的行動。“我認為谷歌玻璃不會在汽車行業普及，”安靠集團的羅伊巴爾表示。

汽車封裝的認證、可靠性和成本預期與人工智能加速器或尖端高性能計算模塊截然不同。在汽車市場，成熟的封裝類型和長期可靠性往往比新型基板平臺的前景更為重要。

結論

今年封裝技術討論中最清晰的教訓是，下一階段的規模化發展與其說取決于任何單一的突破，不如說取決于整個工藝流程能否穩定到足以支持規模化。翹曲會影響對準和搬運。搬運會影響裂紋的形成和邊緣損傷。減薄會影響均勻性、應力和污染風險。混合鍵合可以提高密度和帶寬，但隨著間距的縮小，它對顆粒和應力都非常敏感。過去看似獨立的問題，現在已成為同一制造難題中相互依存的組成部分。

行業面臨的障礙不再僅僅局限于電氣方面。工程師們當然可以構想出更先進的封裝架構，但如何打造出能夠重復制造、清潔生產且經濟高效，從而實現持續量產的架構，卻是一個挑戰。真正的制約因素在于材料、機械性能、熱歷史和良率管理等方面的工藝整合。

這一挑戰正在重塑專家們對該領域的討論方式。向更大尺寸的模塊和更緊密的芯片間集成發展，迫使人們采用更全面的視角，將基板選擇、載體策略、面板平整度、銅密度、脫粘清潔度和工藝順序等因素統統考慮在內。如果解決方案在兩步之后造成更大的機械性能損失，那么僅僅局部解決一個問題是不夠的。規模化越來越依賴于在工藝窗口關閉之前預測整個結構的性能表現。

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