延續摩爾定律 異質整合封裝技術扮要角

作者 : Nirmalya Maity,Applied Materials先進封裝企業副總裁

今日的先進封裝技術支援異質(heterogeneous)設計和整合,提供了一種替代方法來延續與傳統摩爾定律2D微縮相關的PPACt優勢。世界領先的晶片和系統公司,都在採用這種實現摩爾定律的新方法,視之為競爭必備...

物聯網(IoT)、大數據(big data)和人工智慧(AI)正在推動半導體產業的新一輪成長;然而,儘管對晶片創新的需求從未如此強烈,傳統摩爾定律(Moore’s Law)的2D製程微縮步伐正在趨緩。

每一代晶片的微縮都需要花費更長的時間與更高成本,隨著晶片製造商和系統業者在功率(Power)、效能(Performance)、單位面積成本(Area-Cost)及上市時間(Time-to Market)──應材(Applied Materials)稱之為PPACt──方面不斷推動改進,促使人們對於新設計與製造典範的需求,。

封裝技術成為產品差異化關鍵

數十年來,半導體PPACt技術藍圖一直是透過2D平面製程微縮和單晶半導體整合實現的,以一定的節奏進行。在這段期間,半導體封裝技術通常被視為該產業中低價值、商品化的部分,主要功能是保護裸晶並將之連接到印刷電路板(PCB),然後在PCB上完成各晶片和模組之間的電源和訊號連結。

隨著運算從PC發展至行動裝置,如今又進入AI時代,封裝技術扮演的角色發生劇烈變化。今日的先進封裝技術支援異質(heterogeneous)設計和整合,提供了一種替代方法來延續與傳統摩爾定律2D微縮相關的PPACt優勢。世界領先的晶片和系統公司,都在採用這種實現摩爾定律的新方法,視之為競爭必備。

異質方法可以讓工程師將大型設計分解為更小的小晶片(Chiplet),然後在單個封裝中將這些Chiplet連結起來,實現PPACt的改善。將小晶片組合在一起的一種方法是使用矽穿孔(through-silicon vias,TSV)實現3D堆疊。類似於TSV的3D互連可以比傳統繞線短得多,從而有利於實現更低的功耗和更高的I/O密度。

舉例來說,與傳統凸塊到PCB (bump-to-PCB)連結相較,TSV可將I/O密度提高約100倍,並將每位元傳輸能耗(energy-per-bit transfer)降低約15倍,具體數值取決於架構和工作負載,因此可以實現高能效的3D晶片堆疊。讓邏輯電路和記憶體靠更近,還可進一步提升性能。

成本的降低則是透過兩種方法:較小的裸晶通常良率也較高,而先進節點晶圓片通常比採用舊節點的晶圓片更昂貴,這意味著工程師可以將性能關鍵的裸晶與其他Chiplet混搭,從而實現較低的混合成本。隨著經驗證的IP Chiplet更快的整合,上市時間也可以顯著縮短。

 

圖1:異質設計和先進封裝讓PPACt透過多種方式取得改善。

(來源:Applied Materials)

混合鍵合即將騰飛

先進封裝的下一場革命是混合鍵合(hybrid bonding),該技術大幅改善了傳統多晶片封裝技術──將I/O接腳以金屬凸塊連結基板、再透過基板繞線實現晶片之間電氣互連。混合鍵合透過直接銅對銅鍵合的方式連結晶片和晶圓,因此可以縮短佈線距離並進一步提高I/O密度,提升電源效率和系統性能。相較TSV,混合鍵合能能讓I/O密度再提高10倍,每位元傳輸能耗也能再改善兩倍。

 

圖2:混合鍵合是封裝系統互連技術藍圖中的下一個創新;每一代技術都能提供更高的輸入/輸出密度,以及更低的每位元傳輸能耗。

(來源:Applied Materials)

 

實現混合鍵合需要一整套先進的半導體製造技術;為了實現最佳性能,必須對焊墊成形(bond–pad formation)、平面化、表面處理和鍵合等關鍵技術進行共同最佳化。

對於世界領先的半導體和系統業者來說,異質設計和混合鍵合等先進封裝技術的重要性將越來越高。應材正透過獨特的產品組合廣度和深度助力加速此一趨勢,在位於新加坡的先進封裝實驗室中結合了這些技術,並透過與客戶和產業夥伴合作,實現一整套經驗證的晶片到晶圓、晶圓到晶圓混合鍵合解決方案。

我們推動這些產業合作之目的,是建立一個先進封裝生態系,以加速客戶的PPACt發展藍圖,同時因應傳統摩爾定律微縮速度的趨緩。

封裝技術的在地化趨勢

因新冠疫情導致的供應鏈短缺問題,已對各大主要產業造成經濟衝擊,汽車產業就是一個突出的案例。許多製造商甚至國家都在重新考量其半導體戰略,並且進一步延伸到封裝領域。

以美國為例,根據貿易組織IPC和研究機構TechSearch International在2021年11月發表的報告指出,北美僅佔據全球先進半導體封裝產量的3%;為此美國國會在去年通過預算達520億美元的晶片產業激勵法案CHIP,並呼籲建立一個美國國家先進封裝製造專案。此舉已經獲得了包括應材在內的美國半導體業者大力支持。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:As Classic Moore’s Law Dims, Heterogeneous Integration Steps Into the Limelight,By Nirmalya Maity)

 

 

 

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