在半导体行业竞争日趋激烈的背景下，封装工艺作为一种部署更小型、更轻薄、更高效、和更低功耗半导体的方法，其重要性日益凸显。同时，封装工艺也可响应半导体小型化技术的限制和满足其他市场需求。阅读本文前，欢迎识别二维码加入产业链微信群及通讯录。
封装工艺是指对半导体制成品进行包装的过程，使其免受损坏，同时将半导体电路中的电线与外部连接。此前，封装工艺通常被视为一种简单的辅助工作，属于半导体制造的后工序，而非确定半导体质量的前工序。然而，近年来，随着晶体管的特征尺寸缩小到5nm以下，加之半导体制造业在未来几年面临物理尺寸限制的可能性越来越大，封装技术也得到了前所未有的关注。
封装工艺关乎半导体产品，是与客户休戚相关的关键工艺。下面我们将详细探讨封装技术，了解封装技术的未来趋势。
对封装技术的重新思考
图1.封装技术的发展历程
随着市场对高性能和高容量存储器产品的需求不断增加，从十年前开始，诸如*重新分配层（RDL）、*倒片封装（Flip Chip）和*硅穿孔（TSV）等封装技术得到了积极广泛的应用【图1】。这些技术颠覆了传统的芯片级封装方法，在硅晶圆或芯片堆叠结构晶圆中进行工艺处理，大幅提高了产品的性能和容量。需要指出的是，SK海力士凭借业界领先的TSV堆叠技术引领市场发展，这其中包括高带宽存储器（HBM）封装存储器解决方案，以及用于服务器的高密度存储器（HDM）三维堆叠（3DS）技术【图2】。
图2. FO-WLP封装计划包含模压优先选项(die-first)和重新分配层（RDL）优先封装选项（来源：Micromachines，《EE Times》杂志)
2016年，SK海力士率先应用*批量回流焊（mass reflow）工艺，将4块50 um厚芯片相互堆叠，并结合TSV堆叠技术，成功开发出一款服务器专用3DS存储器。近期，公司将这项技术应用于HBM产品的8层堆叠上。通过采用多个热假凸块作为散热路径，并使用具有优良导热性的塑封料作为间隙填充材料，SK海力士大大改善了因存储器带宽增加而引起的散热问题，同时也大幅降低了TSV的高昂制造成本。
*重新分配层（Ridistribution Layer,简称RDL）：一种重新布线技术；RDL技术旨在重新排列已经在晶圆上形成的焊盘，通过形成额外的金属布线层，将焊盘重塑到所需位置。
*倒片封装（Flip Chip）：在芯片的焊盘上形成凸点（几十微米（㎛）大小，称为焊球），将凸点翻转然后与基板键合的方法
*硅穿孔（Through-siliconvia, 简称TSV）：一种通过在硅芯片内部钻孔（通孔）形成通过电极，然后将多个芯片垂直3D堆叠的方法；与引线连接方法相比，该方法封装面积更小，并且在相同厚度下可以堆叠更多的芯片。此外，由于该方法可以在最短的距离内连接多个I/O，因此可以达到实现高带宽和降低功耗两全其美的效果。
*批量回流模制底部填充（Mass reflow molded underfill，简称MR-MUF）：将多个芯片放置在下层基板上，通过回流焊一次性粘合，然后同时用模塑料填充芯片之间或芯片与基板之间间隙的方法，该方法主要用于倒片封装和TSV芯片堆叠方法。
存储器容量需求影响芯片技术
HBM中所使用的TSV技术是一种使用硅穿孔电极（TSV）和微凸块垂直堆叠多个芯片（通常为4-8个芯片）的方法。由于市场对高容量存储器产品需求不断增加，预计未来将需要12-16层甚至更高的多芯片堆叠技术。为了实现这一目标，不仅需要减小芯片的厚度和凸块电极的尺寸，而且在不久的将来还需要应用混合键合（hybrid bonding）技术*，去除芯片之间的填充物，使其直接连接到铜电极上【图3】。
图3.使用TSV技术的存储器产品
与使用微凸块的方法相比，混合键合方法可以大幅缩小电极尺寸，从而增加单位面积上的I/O数量，进而大幅降低功耗。与此同时，混合键合方法可以显著缩小芯片之间的间隙，由此实现大容量封装。此外，它还可以改善芯片散热性能，有效地解决因耗电量增加而引起的散热问题。
*混合键合：一种同时键合金属电极（如铜电极）和无机绝缘层的方法；该方法可以将至少两个不同的芯片集成到同一个封装中，缩小互连间距，有望广泛应用于芯片(SoC)裸片、SoC存储器和存储器上的多系统垂直堆叠。
平衡容量与热量生成
除了需要TSV技术在容量方面的创新外，人们还需要高速芯片和存储器芯片的*异构集成解决方案，以最大限度地发挥系统内存储器产品的特性。此外，人们还需要全新封装解决方案，来解决因存储器芯片功率增加而引起的散热问题，以及因堆叠的存储器芯片数量增加而产生的厚度限制要求。*扇出型晶圆级封装（Fan-out WLP）是一种通过使用晶圆级重新布线技术将芯片的I/O焊盘迁移到芯片外部区域的技术。这种先进的封装技术目前被积极应用于应用处理器（AP）和电源管理芯片（PMIC）等非存储器芯片上。该技术可以使用重新分配层来替代基板，从而减小封装厚度。此举还可以改善芯片散热效果，因此人们正在积极研究将这一技术应用于存储器产品的可行性。
此外，为了解决存储器装置的技术缩减限制和功率消耗问题，目前人们正在积极研究异构芯片（而非存储器芯片）集成技术。通过采用扇出型封装技术可以在不同形式的封装中实现上述目标，不仅提高了存储器产品的性能，而且可以通过新的应用场景实现扩展【图4】。
图4.采用微凸块和混合键合方法的垂直分层(Vertical Lamination)示意图
扇出型封装技术可以与包括引线键合、 TSV、重新分配和凸块技术等在内的各种封装技术相融合，对各种形式的存储器产品进行封装。由于存储器芯片需要足够的容量，扇出型晶圆级封装结构将成为一项关键实施技术，能够实现垂直堆叠。除了通用的扇出型RDL技术外，存储器产品的扇出型晶圆级封装还必须从多个堆叠芯片的I/O垂直连接扇出RDL布线，因此，确保电气特性和布线质量至关重要。
图5.扇出(fan-out WLP)型晶圆级封装示意图
*异构集成解决方案(Heterogeneous Integration Solution)：一种在同一封装中部署不同类型（异构）器件的方法
*扇出型晶圆级封装（Fan-out wafer-level packaging, 简称Fan-out WLP）：通过扩展芯片，在外部区域形成一个用于外部连接的球状端子。这种方法无需使用PCB基板，可以减小封装厚度，节约PCB基板成本。此外，这种方法还可以通过重新分配，简化在水平方向上桥接异构芯片的操作，因而可以用于多功能和高性能的存储器系统中。
封装转型，促进增长
研究发现，使用TSV技术和扇出型技术的3D堆叠技术预计将分别以每年20%和15%的速度增长。这也表明，这些都是高端封装领域的代表性技术。TSV和扇出型晶圆级封装技术正在不断发展完善，以便更好地消除当前存储器产品面临的各种局限性。
来源：SK海力士
作者：孙晧荣博士
原文链接：https://news.skhynix.com.cn/sk-hynix-in-ee-times-how-advanced-packaging-technologies-are-helping-increase-system-performance/
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：高端封装技术：攻克存储器系统性能和容量限制
