影响芯片封装的少数关键技术

谈到芯片封装对载板及电子制造服务商(EMS)的影响时，重点主要集中在大封装和极高I数、O数、精细间距元器件；在大多数情况下确实如此。然而，目前的几种封装趋势为简化印制电路板(PCB)及EMS供应链生产进而降低成本提供了新的途径。

少数关键技术支持着这些发展。贯穿硅通孔(Through silicon vias，TSV)的起源可以追溯到晶体管的发明，可在20世纪80年代的超级计算机中找到这类晶体管。但在2005年至2010年之间，它才真正进入了批量制造领域。从那时起，过程控制和良率的快速发展导致了极高密度存储器的实现。TSV现在被证明是chiplet芯片架构发展的关键支持技术。

第二项关键技术是硅及玻璃载板的发展。硅载板在20世纪90年代以一种重要的方式进入人们的视野，直到最近，对于除最深奥的应用之外，硅载板的成本都太高。

2008~2010年充斥市场的旧制程制造设备的可用性为价格更合理的硅载板打开了大门，并为目前的chiplet架构提供了一条简单的路径，特别是对于大型IC OEM而言。

在Georgia Tech Packaging Research Center广泛研究推动下，玻璃载板可以更低的成本提供与硅载板相当的高布线能力。玻璃和硅芯片的热膨胀系数(CTE)之间的兼容性实现了高度可靠的chiplet或SiP应用中的多芯片组件。

最后，键合和互连的发展极大地促进了采用TSV及极高密度载板的组装。2012年，TechLead首次开发并展示了纳米键合，一种32微米间距的极高密度芯片间互连方法。IBM苏黎世公司从2013年开始继续这项研究，将纳米铜用于PCB组装。在东京大学，Tadatomo Suga Sensei位于表面活化键合技术的前沿，该技术从晶圆到晶圆键合再到chiplet组装，找到一席之地。

考虑到TSV和玻璃封装载板、硅封装载板从实验室向主流制造能力转变的影响，再加上创新芯片连接技术的出现，如纳米键合和表面活化键合，以弥补传统回流焊组装的不足，其可能性呈指数级增长。这些技术一起实现了chiplet架构，并扩展了系统级封装(SiP)选项，如混合芯片技术。

chiplet允许半导体工厂进行更复杂的元器件设计，这些设计结合了针对其每种应用的最佳IC制造技术。例如，通过将逻辑、存储器和电源分布分离到单个chiplet，设计师利用布局和制造技术来提高小型化及性能。热量管理能力的额外提高，加上TSV和玻璃载板、Si载板的极细线宽、线距能力的组合所实现的超高布线密度，减少了PCB所看到的总引脚数（以及通常的I密度、O密度）。显然，这大大简化了PCB组装，提高了良率。

chiplet还促进了“门阵列”思维，以及在这些元器件中实现的增强功能。元器件设计师不局限于内部的chiplet，而是可以实现每个元器件的最佳设计和制造，以进一步优化整体功能和性能。不仅内部资源需求（如设计、制造、测试等）大幅减少，而且大幅缩短关键的上市时间。

当然，已知良好晶片(KGD)问题仍然是障碍，但在过去30年取得的重大进展在大多数情况下将这种担忧降低到了可控制的水平。行业内的标准化努力旨在实现并稳定这些机会。

那么，作为chiplet架构的母体，SiP起什么作用？许多应用需要混合器件类型，如GaAs、SiC、InP等，以提供更专门的功能，而这些功能仍然难以用chiplet设计实现。SiP仍然是更复杂和、或特定应用的首选方法，在这些应用中，特定要求或功能不能保证chiplet设计所需的复杂基础设施投资。

SiP还可以作为未来chiplet元器件开发的原型平台。对SiP中的应用进行微调可以为在下一代产品中成功实施chiplet指明道路。

然而，将SiP视为chiplet的先驱，掩盖了其自身的主要作用。适当利用支持chiplet架构的相同技术，扩展了SiP在许多不同方向和领域的适用性。通过使用玻璃载板，SiP利用了相同的布线密度优势，从而提高了热量管理能力、实现了较低的I数、O数及较大的I间距、O间距，再次简化了PWB组装并提高了良率。

SiP非常适合于使用任何制造技术和、或供应商提供的基本上现成的芯片设计快速创建定制应用，在上市时间和快速修订方面，SiP仍然是首选，例如，SiP的存储器缩小可能甚至不需要载板重新布局，而对于chiplet架构，至少可以这么说，重新布局仍然是重大挑战。

其他SiP优点包括SiP载板及晶片连接、晶片互连材料选择的多样性。例如，向下孔应用可以在与AuSi或AuSn结合的高温载板上酌情采用SiC器件技术。对于植入式医疗产品，SiP可包含大量无源元器件，以允许单个SiP结构中完全实现产品的电子功能。

那么，这些技术发展会产生什么影响，特别是对PCB和EMS行业领域的影响？答案当然是“根据具体情况而定”。

对于大型PCB的制造商来说，由于更大的几何结构（线宽、线距）和封装组件内电路整合所需的层数更少，可能意味着成本更低、良率更高、附加值更小。

对采用这类PCB进行生产的EMS供应商的影响类似。然而，由于对这些更有价值和更敏感元器件的处理要求，EMS公司可能会保留一些附加值。

供应链中更专门的领域，如封装载板供应商和外包半导体组装和测试公司(outsourced semiconductor assembly and test，OSAT)，受益于对其更专业能力的需求增加，产量会增加。

尽管PCB组件(SiP的先驱)和混合电路(chiplet的先驱)在预测的消亡期后仍继续蓬勃发展，但基于SiP及chiplet的元器件将以本文描述的方式以及许多尚未预见的方式彻底改变电子产品。

预计在广泛的应用领域，尤其是物联网、汽车、环境监测、安全、移动通信和军事、航空航天领域等高可靠性领域，将加速增长。每个领域都有特有的挑战，但这些方法均可很好地应对。

编辑：黄飞