多芯片封裝中的好處和挑戰

近日，半導體工程團隊與 Amkor 小芯片和 FCBGA 集成副總裁 Michael Kelly，就小芯片、混合鍵合以及新材料展開(kāi)討論。一同參與討論的還有 ASE 研究員 William Chen、Promex Industries 首席執行官 Dick Otte，以及 Synopsys Photonics Solutions 的研發(fā)總監 Sander Roosendaal。以下是此次討論的摘錄內容。

多年以來(lái)，汽車(chē)芯片的開(kāi)發(fā)在行業(yè)中并不占據領(lǐng)先地位。然而，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的興起以及最先進(jìn)信息娛樂(lè )系統的發(fā)展，這一狀況已發(fā)生了徹底改變。您察覺(jué)到了哪些問(wèn)題呢？

Kelly：高端的 ADAS（高級駕駛輔助系統）需要采用 5 納米或更小制程的處理器，才能具備市場(chǎng)競爭力。一旦進(jìn)入 5 納米制程，就不得不考慮晶圓成本，此時(shí)就會(huì )慎重思考小芯片方案，因為在 5 納米制程下難以制造出大型芯片。而且其產(chǎn)量較低，導致成本極為高昂。

若處于 5 納米或更先進(jìn)制程，客戶(hù)通常會(huì )考慮從 5 納米芯片中選取一部分，而非采用整個(gè)芯片，同時(shí)在封裝環(huán)節增加投入。他們會(huì )思考：「相較于試圖在一個(gè)更大的芯片中完成所有功能，通過(guò)這種方式獲取所需的性能，是否會(huì )是一種成本更低的選擇呢？」 所以，沒(méi)錯，高端汽車(chē)公司肯定在關(guān)注小芯片技術(shù)。行業(yè)內的領(lǐng)先企業(yè)都在密切留意。相較于計算領(lǐng)域，汽車(chē)行業(yè)在小芯片應用方面大概滯后兩到四年，但這項技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應用趨勢已然明確。汽車(chē)行業(yè)對可靠性要求極高，所以必須證明小芯片技術(shù)的可靠性。不過(guò)，小芯片技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的大規模應用肯定會(huì )到來(lái)。

Chen：我并未察覺(jué)到存在重大阻礙。我認為更多的是需要深入學(xué)習和理解相關(guān)的認證要求。這又回到了計量學(xué)層面。我們該如何制造出符合極為嚴苛的汽車(chē)標準要求的封裝呢？但可以肯定的是，相關(guān)技術(shù)正在不斷發(fā)展。

鑒于多晶粒組件存在諸多散熱問(wèn)題以及其復雜性，是否會(huì )有新的壓力測試配置文件，或者不同類(lèi)型的測試呢？當前的 JEDEC 標準能否涵蓋這樣的集成系統？

Chen：我認為我們需要開(kāi)發(fā)更為完善的診斷方法，以便明確故障所在。我們已經(jīng)探討過(guò)將計量學(xué)與診斷相結合，我們有責任弄清楚如何構建更堅固的封裝、更優(yōu)質(zhì)的材料和工藝，并對其進(jìn)行驗證。

Kelly：如今，我們與客戶(hù)開(kāi)展了案例研究，客戶(hù)從系統級測試，尤其是功能板測試中的溫度影響測試方面，學(xué)到了一些東西，這是 JEDEC 測試中所沒(méi)有的。JEDEC 測試只是一種等溫測試，僅僅涉及 「溫度升高、降低以及溫度過(guò)渡」。但實(shí)際封裝中的溫度分布與現實(shí)世界中的情況相差甚遠。越來(lái)越多的客戶(hù)希望盡早進(jìn)行系統級測試，因為他們了解這一情況，然而并非所有人都清楚這一點(diǎn)。模擬技術(shù)也在其中發(fā)揮作用。如果在熱機械組合仿真方面技術(shù)嫻熟，那么分析問(wèn)題就會(huì )更為容易，因為知道在測試中需要關(guān)注哪些方面。系統級測試和模擬技術(shù)相輔相成。不過(guò)，這一趨勢目前仍處于早期階段。

在成熟的技術(shù)節點(diǎn)上，需要處理的散熱問(wèn)題是否比過(guò)去更多？

Otte：是的，不過(guò)在過(guò)去一兩年中，共面性問(wèn)題愈發(fā)凸顯。我們看到芯片上有 5000 到 10000 個(gè)銅柱，間距在 50 微米到 127 微米之間。如果仔細研究相關(guān)數據，就會(huì )發(fā)現要將這些銅柱放置在基板上，進(jìn)行加熱、冷卻以及回流焊操作，需要達到大約十萬(wàn)分之一的共面性精度。十萬(wàn)分之一的精度，就好比在足球場(chǎng)長(cháng)度的距離內找到一片草葉。我們購置了一些性能優(yōu)良的 Keyence 工具，用于測量芯片和基板的平面度。當然，隨之而來(lái)的問(wèn)題是，如何在回流焊循環(huán)過(guò)程中控制這種翹曲現象呢？這是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

Chen：我記得人們曾討論過(guò) Ponte Vecchio，他們采用低溫焊料是出于組裝方面的考慮，而非工作性能方面的原因。

考慮到附近所有電路仍存在散熱問(wèn)題，光子學(xué)該如何融入其中呢？

Roosendaal：需要對所有方面進(jìn)行熱仿真，同時(shí)還需要進(jìn)行高頻提取，因為進(jìn)入其中的電信號是高頻信號。所以需要關(guān)注阻抗匹配以及正確接地等問(wèn)題。溫度梯度非常大，可能存在于晶粒內部，也可能存在于我們所說(shuō)的 「E」 晶粒（電晶粒）和 「P」 晶粒（光子晶粒）之間。我很好奇我們是否需要進(jìn)一步深入了解膠粘劑的熱特性。

這就引發(fā)了關(guān)于粘合材料、其選擇以及隨時(shí)間推移的穩定性的討論。顯而易見(jiàn)，混合鍵合技術(shù)已經(jīng)在現實(shí)世界中得到應用，但實(shí)際上尚未用于大規模生產(chǎn)。目前該技術(shù)發(fā)展到什么程度了呢？

Kelly：供應鏈中的各方都在關(guān)注混合鍵合技術(shù)。如今，這項技術(shù)主要由代工廠(chǎng)主導，但 OSAT（外包半導體封裝測試）企業(yè)也在認真研究其商業(yè)應用案例。經(jīng)典的銅混合電介質(zhì)鍵合部件經(jīng)過(guò)了長(cháng)期驗證。如果能夠控制好清潔度，該工藝能夠生產(chǎn)出非常堅固的部件。但它對清潔度的要求極高，而且所需的資本設備成本非常高昂。我們在 AMD 的 Ryzen 產(chǎn)品線(xiàn)中經(jīng)歷過(guò)早期的應用嘗試，其中大部分 SRAM 采用了銅混合鍵合技術(shù)。但我并未看到其他客戶(hù)對該技術(shù)有太多的應用。雖然它在很多企業(yè)的技術(shù)路線(xiàn)圖上，但感覺(jué)還需要幾年時(shí)間，相關(guān)設備套件才能達到獨立的清潔度要求。如果能夠將其應用在一個(gè)相對晶圓廠(chǎng)來(lái)說(shuō)潔凈度稍低的工廠(chǎng)環(huán)境中，并且期望實(shí)現更低的成本，那么或許該技術(shù)會(huì )得到更多關(guān)注。

Chen：據我統計，在 2024 年的 ECTC 會(huì )議上，至少有 37 篇關(guān)于混合鍵合的論文。這是一個(gè)需要大量專(zhuān)業(yè)知識的工藝，而且在組裝過(guò)程中需要投入大量精細的操作。所以這項技術(shù)肯定會(huì )得到廣泛應用。目前已經(jīng)有一些應用案例，但未來(lái)它將在各個(gè)領(lǐng)域得到普及。

您所說(shuō)的「精細操作」，是指需要投入大量資金嗎？

Chen：當然包括時(shí)間和專(zhuān)業(yè)知識。進(jìn)行這項操作需要一個(gè)非常潔凈的環(huán)境，這需要投入資金。還需要相關(guān)設備，這同樣需要資金。所以這不僅僅涉及運營(yíng)成本，還包括對設施的投資。

Kelly：在 15 微米或更大間距的情況下，人們對僅采用銅柱晶圓對晶圓的技術(shù)方案有很大興趣。在理想情況下，晶圓是平整的，晶片尺寸不是很大，對于其中一些間距，仍然可以實(shí)現高質(zhì)量的回流。這雖然有一定難度，但相較于致力于銅混合鍵合技術(shù)的成本要低得多。但是，如果精度要求達到 10 微米或更低，情況就有所不同了。那些采用芯片堆疊技術(shù)的企業(yè)將實(shí)現個(gè)位數微米的間距，比如 4 或 5 微米，除此之外別無(wú)他法。所以相關(guān)技術(shù)必然會(huì )發(fā)展。不過(guò)，現有技術(shù)也在不斷改進(jìn)。所以現在我們關(guān)注銅柱能夠延伸的極限，以及這種技術(shù)的持續時(shí)間是否足夠長(cháng)，以便客戶(hù)能夠推遲在真正的銅混合鍵合技術(shù)上的所有設計和 「合格」 開(kāi)發(fā)投資。

Chen：我們只會(huì )在有需求的時(shí)候采用相關(guān)技術(shù)。

目前環(huán)氧樹(shù)脂模塑料領(lǐng)域有很多新進(jìn)展嗎？

Kelly：模塑料已經(jīng)有了很大的變化。其 CTE（熱膨脹系數）已經(jīng)大幅降低，從壓力角度來(lái)看，對相關(guān)應用更為有利。

Otte：回到我們之前討論的內容，目前有多少半導體芯片是采用 1 或 2 微米間距制造的呢？

Kelly：占比相當大。

Chen：可能不到 1%。

Otte：所以我們所討論的技術(shù)并非主流。這并非處于研究階段，因為前沿企業(yè)確實(shí)在應用這項技術(shù)，但它成本高昂且產(chǎn)量較低。

Kelly：這主要應用于高性能計算領(lǐng)域。如今，它不僅在數據中心得到應用，高端 PC 甚至一些手持設備也有應用，雖然這些設備相對較小，但仍然具備高性能。如果縱觀(guān)處理器和 CMOS 的應用領(lǐng)域，它所占比例仍然相對較小。對于普通的芯片制造商來(lái)說(shuō)，并不需要采用這項技術(shù)。

Otte：這就是為什么看到該技術(shù)進(jìn)入汽車(chē)行業(yè)會(huì )令人感到驚訝。汽車(chē)并不需要芯片尺寸非常小。它們可以保持在 20 或 40 納米制程，因為在這個(gè)制程下，半導體中每個(gè)晶體管的成本是最低的。

Kelly：但是 ADAS 或自動(dòng)駕駛的計算要求與 AI PC 或類(lèi)似設備是相同的。因此，汽車(chē)行業(yè)確實(shí)需要投資這些前沿技術(shù)。

如果產(chǎn)品周期為五年，也許通過(guò)采用新技術(shù)還能再延長(cháng)五年的優(yōu)勢嗎？

Kelly：這是個(gè)很有道理的觀(guān)點(diǎn)。汽車(chē)行業(yè)還有另一個(gè)角度。試想一下，對于簡(jiǎn)單的伺服控制器或者運行良好的相當簡(jiǎn)單的模擬設備，汽車(chē)行業(yè)必須處理的零件編號問(wèn)題。這些產(chǎn)品已經(jīng)存在了 20 年，而且成本非常低。它們采用的是小芯片。汽車(chē)行業(yè)的相關(guān)人員希望繼續沿用這些產(chǎn)品。他們只想為非常高端的計算器件投資數字小芯片，并可能?chē)@它搭配低成本的模擬芯片、閃存和 RF 芯片。對他們來(lái)說(shuō)，小芯片模式非常有意義，因為他們可以保留許多成本低且性能穩定的老一代零件。他們既不想改變這些零件，也沒(méi)有必要改變。然后，他們只需添加一個(gè)高端的 5 納米或 3 納米小芯片來(lái)完成 ADAS 部分的功能。實(shí)際上，他們是將多種不同類(lèi)型的小芯片應用于一個(gè)產(chǎn)品中。與 PC 和計算領(lǐng)域不同，汽車(chē)行業(yè)的應用更為多樣化。

Chen：而且這些芯片不必安裝在引擎旁邊，所以環(huán)境條件相對較好。

Kelly：汽車(chē)所處的環(huán)境溫度較高。因此，即使芯片的功率不是特別高，汽車(chē)行業(yè)也必須投入一定資金用于良好的散熱解決方案，甚至會(huì )考慮使用銦 TIM（熱界面材料），因為其所處的環(huán)境條件非常嚴苛。