英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾曾預(yù)言，芯片上的晶體管數(shù)量每一到兩年就會翻一番。由于圖案小型化技術(shù)的發(fā)展，這個被稱為摩爾定律的預(yù)測直到最近都是正確的。然而，摩爾定律可能不再有效，因為技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到極限，并且由于使用昂貴的設(shè)備，如極紫外（EUV）光刻系統(tǒng)，成本已經(jīng)上升。同時，對不斷改進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)仍有巨大的市場需求。為了彌補技術(shù)進(jìn)步的差距并滿足半導(dǎo)體市場的需求，出現(xiàn)了一種解決方案： 先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。

　　盡管高級包裝非常復(fù)雜并且涉及多種技術(shù)，互聯(lián)技術(shù)仍然是其核心。這篇文章將涵蓋包裝技術(shù)如何發(fā)展和SK海力士最近的努力和成就，以幫助推進(jìn)該領(lǐng)域。

　　互連在先進(jìn)封裝中的重要性

　　首先，需要注意的是，互連技術(shù)是封裝的關(guān)鍵和必要部分。芯片通過封裝互連，以接收功率、交換信號并最終進(jìn)行操作。由于半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度、密度和功能隨互連方式的不同而不同，互連方法也在不斷變化和發(fā)展。

　　除了開發(fā)各種工藝以在晶圓廠中實現(xiàn)精細(xì)圖案之外，還進(jìn)行了廣泛的努力來提高封裝工藝中的互連技術(shù)。結(jié)果，開發(fā)了以下四種類型的互連技術(shù)：引線鍵合、倒裝芯片鍵合、硅通孔1 （TSV）鍵合，以及與小芯片的混合鍵合。2

　　1硅通孔（TSV）：一種垂直互連通路（通孔），完全穿過硅芯片或晶片，以實現(xiàn)硅芯片的堆疊。

　　2小芯片：根據(jù)用途（如控制器或高速存儲器）劃分芯片，并在封裝過程中重新連接它們之前將它們作為單獨的晶片制造的技術(shù)。

　　圖一。顯示互連方法規(guī)格的表格。（這些規(guī)格是應(yīng)用了各自互連技術(shù)的主要產(chǎn)品的例子。）

　　3混合粘接尚未應(yīng)用于上述產(chǎn)品。規(guī)格是一個估計值。

　　引線鍵合

　　引線鍵合是開發(fā)的第一種互連方法。通常，具有良好電性能的材料，例如金、銀和銅，被用作接合芯片和基板的導(dǎo)線。這是最具成本效益和最可靠的互連方法，但由于其較長的電氣路徑，它不適合需要高速操作的較新設(shè)備。因此，這種方法正被用于不需要快速操作的移動設(shè)備中使用的移動DRAM和NAND芯片。

　　倒裝芯片接合

　　倒裝芯片接合 克服了引線鍵合的缺點。它的電路長度是引線焊接的十分之幾，這使它適合于高速操作。與在芯片級執(zhí)行的引線鍵合相比，在晶片級處理的倒裝芯片鍵合還提供了更高的生產(chǎn)率。因此，它被廣泛用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封裝。此外，由于凸點可以形成在芯片的整個側(cè)面，因此與引線鍵合相比，有可能擁有更多的輸入和輸出（I/O ），從而可能提供更高的數(shù)據(jù)處理速度。然而，倒裝結(jié)合有其自身的缺點。首先，難以進(jìn)行多芯片堆疊，這對于需要高密度的存儲器產(chǎn)品是不利的。此外，盡管倒裝芯片焊接可以比引線焊接連接更多的I/o，但是它的凸塊間距3 和有機PCB間距阻礙了更多I/o的連接。為了克服這些限制，開發(fā)了TSV焊接。

　　硅通孔（TSV）鍵合

　　TSV沒有使用傳統(tǒng)的布線方法來連接芯片到芯片，而是通過在芯片上鉆孔并用金屬等導(dǎo)電材料填充以容納電極來垂直連接芯片。在制造了具有TSV的晶片之后，在連接這些凸塊之前，通過封裝在其頂側(cè)和底側(cè)形成微凸塊。由于TSV允許凸點垂直連接，因此可以實現(xiàn)多芯片堆疊。最初，使用TSV粘合的疊層有四層，后來增加到八層。最近，一項技術(shù)使得堆疊12層成為可能，在2023年4月SK海力士開發(fā)了12層HBM3。與TSV倒裝芯片結(jié)合的方法通常使用基于熱壓的非導(dǎo)電膜（TC-NCF），而SK海力士則使用MR-MUF4 這可以減少來自堆疊的壓力并實現(xiàn)自對準(zhǔn)。5這些特性使SK海力士開發(fā)出世界上第一個12層HBM3成為可能。

　　4大規(guī)模回流模制底部填充（MR-MUF）：一種工藝，將半導(dǎo)體芯片堆疊起來，將液體保護材料注入芯片之間的空間，然后硬化，以保護芯片和周圍的電路。與在每個芯片堆疊后應(yīng)用薄膜型材料相比，MR-MUF是一種更有效的工藝，并提供有效的散熱。

　　5自對準(zhǔn)：在MR-MUF過程中，通過大規(guī)模回流將芯片重新定位到正確的位置。在此過程中，對芯片進(jìn)行加熱，使相關(guān)的凸點在正確的位置熔化并硬化。

　　如上所述，引線、倒裝芯片和TSV焊接在封裝工藝的各個領(lǐng)域都有各自的用途。然而，最近出現(xiàn)了一種新的互連技術(shù)，稱為銅對銅直接鍵合，這是一種混合鍵合。

　　具有小芯片的混合鍵合

　　術(shù)語“混合”用于表示兩種類型的界面結(jié)合6正在同時形成。這兩種類型的界面結(jié)合是：氧化物界面之間的結(jié)合和銅之間的結(jié)合。這項技術(shù)并不是新的發(fā)展，但已經(jīng)在CMOS圖像傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)中使用了幾年。然而，由于小芯片的使用增加，它最近引起了更多的關(guān)注。小芯片技術(shù)通過功能將單個芯片分開，然后通過封裝將它們重新連接起來，在單個芯片上實現(xiàn)多種功能。

　　6界面結(jié)合：兩個相互接觸的物體表面通過分子間力結(jié)合在一起的結(jié)合。

　　雖然小芯片的功能是該技術(shù)的一個明顯優(yōu)勢，但采用它們的主要原因是成本效益。當(dāng)所有功能都在單個芯片上實現(xiàn)時，芯片尺寸增加，不可避免地導(dǎo)致晶片生產(chǎn)過程中的產(chǎn)量損失。此外，雖然芯片的某些區(qū)域可能需要昂貴和復(fù)雜的技術(shù)，但其他區(qū)域可以用較便宜的傳統(tǒng)技術(shù)來完成 技術(shù)。因此，制造過程變得昂貴，因為芯片不能被分離，所以精細(xì)技術(shù)被應(yīng)用于整個芯片，即使只有小面積需要它。然而，小芯片技術(shù)分離芯片功能的能力使得能夠使用先進(jìn)的或傳統(tǒng)的制造技術(shù)，從而節(jié)省成本。

　　雖然小芯片技術(shù)的概念已經(jīng)存在了十多年，但是由于缺乏能夠互連芯片的封裝技術(shù)的發(fā)展，它還沒有被廣泛采用。然而，芯片到晶片（C2W）混合鍵合的最新進(jìn)展大大加快了小芯片技術(shù)的采用。C2W混合焊接有幾個好處。首先，它允許無焊料焊接，減少了焊接層的厚度，縮短了電氣路徑，降低了電阻。因此，小芯片可以不折不扣地高速運行——就像它是單個芯片一樣。第二，通過將銅直接鍵合到銅，凸塊上的間距可以顯著減小。目前，當(dāng)使用焊料時，很難實現(xiàn)10微米（微米）或更小的凸塊間距。然而，銅-銅直接鍵合可以將間距減小到小于微米，增加了芯片設(shè)計的靈活性。第三，它提供了先進(jìn)的散熱功能，這是一種在未來只會越來越重要的封裝功能。最后，上面提到的薄接合層和細(xì)間距影響封裝的形狀因子，因此封裝的尺寸可以顯著減小。

　　然而，像其他鍵合技術(shù)一樣，混合鍵合仍然需要克服挑戰(zhàn)。為了確保穩(wěn)定的質(zhì)量，必須在納米尺度上改善顆粒控制，控制粘合層的平整度仍然是一個主要障礙。與此同時，SK海力士計劃使用最強大的封裝解決方案來開發(fā)混合粘合，以便將其應(yīng)用于未來的HBM產(chǎn)品。

　　用SK海力士的混合粘合推進(jìn)封裝技術(shù)

　　雖然SK hynix目前正在開發(fā)混合粘合，以應(yīng)用于其即將推出的高密度、高堆疊HBM產(chǎn)品，但該公司之前已經(jīng)成功地在2022年為HBM2E堆疊了八層混合粘合，同時完成了電氣測試并確保了基本的可靠性。這是一項重大成就，因為迄今為止大多數(shù)混合鍵合都是通過單層鍵合或兩個芯片面對面堆疊來完成的。對于HBM2E，SK海力士成功堆疊了一個基礎(chǔ)管芯和八個DRAM管芯。

　　混合粘合是包裝行業(yè)中最受關(guān)注的粘合技術(shù)。集成器件制造商、代工廠和任何能夠生產(chǎn)高級封裝的公司都在關(guān)注混合焊接。如上所述，盡管該技術(shù)有諸多優(yōu)勢，但它仍有很長的路要走。通過它的領(lǐng)導(dǎo) HBM技術(shù)，SK海力士除了混合鍵合還將開發(fā)各種封裝技術(shù)，幫助封裝技術(shù)和平臺解決方案達(dá)到前所未有的水平。

　　審核編輯：黃飛