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高端封裝技術：攻克存儲器系統(tǒng)性能和容量限制
來源：SK海力士

       在半導體行業(yè)競爭日趨激烈的背景下，封裝工藝作為一種部署更小型、更輕薄、更高效、和更低功耗半導體的方法，其重要性日益凸顯。同時，封裝工藝也可響應半導體小型化技術的限制和滿足其他市場需求。

       封裝工藝是指對半導體制成品進行包裝的過程，使其免受損壞，同時將半導體電路中的電線與外部連接。此前，封裝工藝通常被視為一種簡單的輔助工作，屬于半導體制造的后工序，而非確定半導體質量的前工序。然而，近年來，隨著晶體管的特征尺寸縮小到5nm以下，加之半導體制造業(yè)在未來幾年面臨物理尺寸限制的可能性越來越大，封裝技術也得到了前所未有的關注。

       封裝工藝關乎半導體產品，是與客戶休戚相關的關鍵工藝，SK海力士肩負責任，承載使命，致力于實現(xiàn)最佳性能和最高品質。

       下面我們將詳細探討封裝技術，了解封裝技術的未來趨勢。

       #01 對封裝技術的重新思考

【圖1】封裝技術的發(fā)展歷程

【圖2】FO-WLP封裝計劃包含模壓優(yōu)先選項(die-first)和重新分配層（RDL）優(yōu)先封裝選項（來源：Micromachines，《EE Times》雜志）

       隨著市場對高性能和高容量存儲器產品的需求不斷增加，從十年前開始，諸如重新分配層（RDL）1、倒片封裝（Flip Chip）2和硅穿孔（TSV）3等封裝技術得到了積極廣泛的應用【圖1】。這些技術顛覆了傳統(tǒng)的芯片級封裝方法，在硅晶圓或芯片堆疊結構晶圓中進行工藝處理，大幅提高了產品的性能和容量。需要指出的是，SK海力士憑借業(yè)界領先的TSV堆疊技術引領市場發(fā)展，這其中包括高帶寬存儲器（HBM）封裝存儲器解決方案，以及用于服務器的高密度存儲器（HDM）三維堆疊（3DS）技術【圖2】。2016年，SK海力士率先應用批量回流焊（mass reflow）工藝?，將4塊50 um厚芯片相互堆疊，并結合TSV堆疊技術，成功開發(fā)出一款服務器專用3DS存儲器。近期，公司將這項技術應用于HBM產品的8層堆疊上。通過采用多個熱假凸塊作為散熱路徑，并使用具有優(yōu)良導熱性的塑封料作為間隙填充材料，SK海力士大大改善了因存儲器帶寬增加而引起的散熱問題，同時也大幅降低了TSV的高昂制造成本。

【圖3】使用TSV技術的存儲器產品

       #02 存儲器容量需求影響芯片技術

       HBM中所使用的TSV技術是一種使用硅穿孔電極（TSV）和微凸塊垂直堆疊多個芯片（通常為4-8個芯片）的方法。由于市場對高容量存儲器產品需求不斷增加，預計未來將需要12-16層甚至更高的多芯片堆疊技術。為了實現(xiàn)這一目標，不僅需要減小芯片的厚度和凸塊電極的尺寸，而且在不久的將來還需要應用混合鍵合（hybrid bonding）技術?，去除芯片之間的填充物，使其直接連接到銅電極上【圖3】。

【圖4】采用微凸塊和混合鍵合方法的垂直分層(Vertical Lamination)示意圖

       與使用微凸塊的方法相比，混合鍵合方法可以大幅縮小電極尺寸，從而增加單位面積上的I/O數(shù)量，進而大幅降低功耗。與此同時，混合鍵合方法可以顯著縮小芯片之間的間隙，由此實現(xiàn)大容量封裝。此外，它還可以改善芯片散熱性能，有效地解決因耗電量增加而引起的散熱問題。

       #03 平衡容量與熱量生成

       除了需要TSV技術在容量方面的創(chuàng)新外，人們還需要高速芯片和存儲器芯片的異構集成解決方案?，以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)內存儲器產品的特性。此外，人們還需要全新封裝解決方案，來解決因存儲器芯片功率增加而引起的散熱問題，以及因堆疊的存儲器芯片數(shù)量增加而產生的厚度限制要求。扇出型晶圓級封裝（Fan-out WLP）?是一種通過使用晶圓級重新布線技術將芯片的I/O焊盤遷移到芯片外部區(qū)域的技術。這種先進的封裝技術目前被積極應用于應用處理器（AP）和電源管理芯片（PMIC）等非存儲器芯片上。該技術可以使用重新分配層來替代基板，從而減小封裝厚度。此舉還可以改善芯片散熱效果，因此人們正在積極研究將這一技術應用于存儲器產品的可行性。

【圖5】扇出(fan-out WLP)型晶圓級封裝示意圖

       此外，為了解決存儲器裝置的技術縮減限制和功率消耗問題，目前人們正在積極研究異構芯片（而非存儲器芯片）集成技術。通過采用扇出型封裝技術可以在不同形式的封裝中實現(xiàn)上述目標，不僅提高了存儲器產品的性能，而且可以通過新的應用場景實現(xiàn)擴展【圖4】。扇出型封裝技術可以與包括引線鍵合、 TSV、重新分配和凸塊技術等在內的各種封裝技術相融合，對各種形式的存儲器產品進行封裝。由于存儲器芯片需要足夠的容量，扇出型晶圓級封裝結構將成為一項關鍵實施技術，能夠實現(xiàn)垂直堆疊。除了通用的扇出型RDL技術外，存儲器產品的扇出型晶圓級封裝還必須從多個堆疊芯片的I/O垂直連接扇出RDL布線，因此，確保電氣特性和布線質量至關重要。

       #04 封裝轉型，促進增長

       研究發(fā)現(xiàn)，使用TSV技術和扇出型技術的3D堆疊技術預計將分別以每年20%和15%的速度增長。這也表明，這些都是高端封裝領域的代表性技術。TSV和扇出型晶圓級封裝技術正在不斷發(fā)展完善，以便更好地消除當前存儲器產品面臨的各種局限性。過去，封裝技術為存儲器產品創(chuàng)造了大量的附加價值。因此，SK海力士將繼續(xù)推進高端封裝技術的轉化與專業(yè)化升級，在滿足存儲器產品需求的同時，促進創(chuàng)新，并積極響應市場需求。

       參考來源

       [1] 重新分配層（Ridistribution Layer,簡稱RDL）：一種重新布線技術；RDL技術旨在重新排列已經在晶圓上形成的焊盤，通過形成額外的金屬布線層，將焊盤重塑到所需位置。

     
      [2]倒片封裝（Flip Chip）：在芯片的焊盤上形成凸點（幾十微米（?）大小，稱為焊球），將凸點翻轉然后與基板鍵合的方法

       [3]硅穿孔（Through-siliconvia, 簡稱TSV）：一種通過在硅芯片內部鉆孔（通孔）形成通過電極，然后將多個芯片垂直3D堆疊的方法；與引線連接方法相比，該方法封裝面積更小，并且在相同厚度下可以堆疊更多的芯片。此外，由于該方法可以在最短的距離內連接多個I/O，因此可以達到實現(xiàn)高帶寬和降低功耗兩全其美的效果。（請點擊此處參閱相關文章。）

       [4]批量回流模制底部填充（Mass reflow molded underfill，簡稱MR-MUF）：將多個芯片放置在下層基板上，通過回流焊一次性粘合，然后同時用模塑料填充芯片之間或芯片與基板之間間隙的方法，該方法主要用于倒片封裝和TSV芯片堆疊方法。

       [5]混合鍵合：一種同時鍵合金屬電極（如銅電極）和無機絕緣層的方法；該方法可以將至少兩個不同的芯片集成到同一個封裝中，縮小互連間距，有望廣泛應用于芯片(SoC)裸片、SoC存儲器和存儲器上的多系統(tǒng)垂直堆疊。

       [6]異構集成解決方案(Heterogeneous Integration Solution)：一種在同一封裝中部署不同類型（異構）器件的方法

       [7]扇出型晶圓級封裝（Fan-out wafer-level packaging, 簡稱Fan-out WLP）：通過擴展芯片，在外部區(qū)域形成一個用于外部連接的球狀端子。這種方法無需使用PCB基板，可以減小封裝厚度，節(jié)約PCB基板成本。此外，這種方法還可以通過重新分配，簡化在水平方向上橋接異構芯片的操作，因而可以用于多功能和高性能的存儲器系統(tǒng)中。

      
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