多芯片封裝中的好處和挑戰(zhàn)

近日，半導(dǎo)體工程團(tuán)隊(duì)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討論。一同參與討論的還有 ASE 研究員 William Chen、Promex Industries 首席執(zhí)行官 Dick Otte，以及 Synopsys Photonics Solutions 的研發(fā)總監(jiān) Sander Roosendaal。以下是此次討論的摘錄內(nèi)容。

多年以來，汽車芯片的開發(fā)在行業(yè)中并不占據(jù)領(lǐng)先地位。然而，隨著電動(dòng)汽車的興起以及最先進(jìn)信息娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，這一狀況已發(fā)生了徹底改變。您察覺到了哪些問題呢？

Kelly：高端的 ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）需要采用 5 納米或更小制程的處理器，才能具備市場競爭力。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?yàn)樵?5 納米制程下難以制造出大型芯片。而且其產(chǎn)量較低，導(dǎo)致成本極為高昂。

若處于 5 納米或更先進(jìn)制程，客戶通常會(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(jié)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，沒錯(cuò)，高端汽車公司肯定在關(guān)注小芯片技術(shù)。行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先企業(yè)都在密切留意。相較于計(jì)算領(lǐng)域，汽車行業(yè)在小芯片應(yīng)用方面大概滯后兩到四年，但這項(xiàng)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢已然明確。汽車行業(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，小芯片技術(shù)在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用肯定會(huì)到來。

Chen：我并未察覺到存在重大阻礙。我認(rèn)為更多的是需要深入學(xué)習(xí)和理解相關(guān)的認(rèn)證要求。這又回到了計(jì)量學(xué)層面。我們該如何制造出符合極為嚴(yán)苛的汽車標(biāo)準(zhǔn)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題以及其復(fù)雜性，是否會(huì)有新的壓力測試配置文件，或者不同類型的測試呢？當(dāng)前的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)能否涵蓋這樣的集成系統(tǒng)？

Chen：我認(rèn)為我們需要開發(fā)更為完善的診斷方法，以便明確故障所在。我們已經(jīng)探討過將計(jì)量學(xué)與診斷相結(jié)合，我們有責(zé)任弄清楚如何構(gòu)建更堅(jiān)固的封裝、更優(yōu)質(zhì)的材料和工藝，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。

Kelly：如今，我們與客戶開展了案例研究，客戶從系統(tǒng)級(jí)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、降低以及溫度過渡」。但實(shí)際封裝中的溫度分布與現(xiàn)實(shí)世界中的情況相差甚遠(yuǎn)。越來越多的客戶希望盡早進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測試，因?yàn)樗麄兞私膺@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(jī)械組合仿真方面技術(shù)嫻熟，那么分析問題就會(huì)更為容易，因?yàn)橹涝跍y試中需要關(guān)注哪些方面。系統(tǒng)級(jí)測試和模擬技術(shù)相輔相成。不過，這一趨勢目前仍處于早期階段。

在成熟的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，需要處理的散熱問題是否比過去更多？

Otte：是的，不過在過去一兩年中，共面性問題愈發(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(xì)研究相關(guān)數(shù)據(jù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)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(dá)到大約十萬分之一的共面性精度。十萬分之一的精度，就好比在足球場長度的距離內(nèi)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(dāng)然，隨之而來的問題是，如何在回流焊循環(huán)過程中控制這種翹曲現(xiàn)象呢？這是一個(gè)亟待解決的問題。

Chen：我記得人們曾討論過 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?yàn)檫M(jìn)入其中的電信號(hào)是高頻信號(hào)。所以需要關(guān)注阻抗匹配以及正確接地等問題。溫度梯度非常大，可能存在于晶粒內(nèi)部，也可能存在于我們所說的 「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(wěn)定性的討論。顯而易見，混合鍵合技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)世界中得到應(yīng)用，但實(shí)際上尚未用于大規(guī)模生產(chǎn)。目前該技術(shù)發(fā)展到什么程度了呢？

Kelly：供應(yīng)鏈中的各方都在關(guān)注混合鍵合技術(shù)。如今，這項(xiàng)技術(shù)主要由代工廠主導(dǎo)，但 OSAT（外包半導(dǎo)體封裝測試）企業(yè)也在認(rèn)真研究其商業(yè)應(yīng)用案例。經(jīng)典的銅混合電介質(zhì)鍵合部件經(jīng)過了長期驗(yàn)證。如果能夠控制好清潔度，該工藝能夠生產(chǎn)出非常堅(jiān)固的部件。但它對清潔度的要求極高，而且所需的資本設(shè)備成本非常高昂。我們在 AMD 的 Ryzen 產(chǎn)品線中經(jīng)歷過早期的應(yīng)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對該技術(shù)有太多的應(yīng)用。雖然它在很多企業(yè)的技術(shù)路線圖上，但感覺還需要幾年時(shí)間，相關(guān)設(shè)備套件才能達(dá)到獨(dú)立的清潔度要求。如果能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在一個(gè)相對晶圓廠來說潔凈度稍低的工廠環(huán)境中，并且期望實(shí)現(xiàn)更低的成本，那么或許該技術(shù)會(huì)得到更多關(guān)注。

Chen：據(jù)我統(tǒng)計(jì)，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)需要大量專業(yè)知識(shí)的工藝，而且在組裝過程中需要投入大量精細(xì)的操作。所以這項(xiàng)技術(shù)肯定會(huì)得到廣泛應(yīng)用。目前已經(jīng)有一些應(yīng)用案例，但未來它將在各個(gè)領(lǐng)域得到普及。

您所說的「精細(xì)操作」，是指需要投入大量資金嗎？

Chen：當(dāng)然包括時(shí)間和專業(yè)知識(shí)。進(jìn)行這項(xiàng)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(shè)備，這同樣需要資金。所以這不僅僅涉及運(yùn)營成本，還包括對設(shè)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(xiàn)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(dá)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(xiàn)個(gè)位數(shù)微米的間距，比如 4 或 5 微米，除此之外別無他法。所以相關(guān)技術(shù)必然會(huì)發(fā)展。不過，現(xiàn)有技術(shù)也在不斷改進(jìn)。所以現(xiàn)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(xù)時(shí)間是否足夠長，以便客戶能夠推遲在真正的銅混合鍵合技術(shù)上的所有設(shè)計(jì)和 「合格」 開發(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(shù)）已經(jīng)大幅降低，從壓力角度來看，對相關(guān)應(yīng)用更為有利。

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

Kelly：占比相當(dāng)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?yàn)榍把仄髽I(yè)確實(shí)在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，但它成本高昂且產(chǎn)量較低。

Kelly：這主要應(yīng)用于高性能計(jì)算領(lǐng)域。如今，它不僅在數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用，高端 PC 甚至一些手持設(shè)備也有應(yīng)用，雖然這些設(shè)備相對較小，但仍然具備高性能。如果縱觀處理器和 CMOS 的應(yīng)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說，并不需要采用這項(xiàng)技術(shù)。

Otte：這就是為什么看到該技術(shù)進(jìn)入汽車行業(yè)會(huì)令人感到驚訝。汽車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?yàn)樵谶@個(gè)制程下，半導(dǎo)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(jì)算要求與 AI PC 或類似設(shè)備是相同的。因此，汽車行業(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，也許通過采用新技術(shù)還能再延長五年的優(yōu)勢嗎？

Kelly：這是個(gè)很有道理的觀點(diǎn)。汽車行業(yè)還有另一個(gè)角度。試想一下，對于簡單的伺服控制器或者運(yùn)行良好的相當(dāng)簡單的模擬設(shè)備，汽車行業(yè)必須處理的零件編號(hào)問題。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。汽車行業(yè)的相關(guān)人員希望繼續(xù)沿用這些產(chǎn)品。他們只想為非常高端的計(jì)算器件投資數(shù)字小芯片，并可能圍繞它搭配低成本的模擬芯片、閃存和 RF 芯片。對他們來說，小芯片模式非常有意義，因?yàn)樗麄兛梢员Ａ粼S多成本低且性能穩(wěn)定的老一代零件。他們既不想改變這些零件，也沒有必要改變。然后，他們只需添加一個(gè)高端的 5 納米或 3 納米小芯片來完成 ADAS 部分的功能。實(shí)際上，他們是將多種不同類型的小芯片應(yīng)用于一個(gè)產(chǎn)品中。與 PC 和計(jì)算領(lǐng)域不同，汽車行業(yè)的應(yīng)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?xí)紤]使用銦 TIM（熱界面材料），因?yàn)槠渌幍沫h(huán)境條件非常嚴(yán)苛。