芯片三維封裝技術的最新研究成果

芯片三維封裝技術是將多個芯片在垂直方向堆疊并封裝成一個整體的技術，這種技術是當前集成電路封裝領域的研究熱點，有著諸多最新的研究成果。

隨著芯片復雜度不斷增加，芯片面積、良率和復雜工藝之間的矛盾難以調和，3D封裝成為必然的發(fā)展趨勢。例如，AMD通過3D封裝技術將不同工藝的小芯片集成，其霄龍?zhí)幚砥飨盗型ㄟ^將io Die采用成熟工藝（如14nm），CPU采用最新的7nm工藝集成，提高了芯片良率，并通過3D V - cache技術在第三代霄龍產品中，在每個CPU Die上集成額外的Level 3緩存，提升了處理器性能。英特爾也推出了復雜芯片Ponte Vecchio，通過5種不同工藝將超過1000億個晶體管、47顆小芯片集成到一顆大芯片上，這些都展示了3D封裝技術在提升芯片性能和集成度方面的成果。

在新的技術創(chuàng)新方面，北京大學黃如院士團隊提出了全新的倒裝堆疊晶體管（Flip FET，FFET）技術，開創(chuàng)性地提出了雙面有源區(qū)（Dual - side Active）和雙面互連（Dual - side Interconnects）的概念，為單芯片三維集成開辟了新的篇章。

此外，疊層3D封裝因具有集成度高、質量輕、封裝尺寸小、制造成本低等特點而受到關注，在滿足電子產品朝小型化、高密度化、高可靠性、低功耗方向發(fā)展方面具有重要意義。

TSV及TGV在芯片三維封裝中的應用進展

TSV（Through - Silicon - Via，硅通孔）和TGV（Through - Glass - Via，玻璃通孔）技術是芯片三維封裝中的關鍵技術。

TSV主要用于實現垂直方向上的信號連接。在實際應用中，TSV技術已經取得了不少進展。例如，在光芯片與電芯片的垂直電互連方面，首次使用中道封裝工藝在硅光SOI晶圓上集成TSV，完成懸臂梁端面耦合器與TSV工藝兼容性整合，實現了光芯片與電芯片的垂直電互，并且TSV與互測試結構插損S21≤ - 0.35dB@67GHz，端面耦合損耗實測2.18dB 。同時，我國頭部封測企業(yè)，如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技已有采用TSV技術封裝的產品批量出貨，展示了TSV技術在產業(yè)化方面的進展。

TGV技術方面，它在多個領域具有獨特優(yōu)勢并逐步走向應用。Menlo通過與其他公司合作展示了整合的TGV封裝技術，使其高性能RF和功率產品擴展至超小型晶圓級封裝。在國內，沃格光電大力推進TGV技術在高算力服務器領域的應用。TGV技術在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統集成等領域也具有優(yōu)良的電學、熱學、力學性能，適用于這些領域的封裝需求。

在三維互連方面，通過垂直方向上的TSV/TGV技術與水平方向上的RDL（再布線層）技術的配合，可將不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet異質集成到1個封裝體中，從而提高帶寬和電源效率并減小延遲，為高性能計算、人工智能和智慧終端等提供小尺寸、高性能的芯片。

全球芯片三維封裝(TSV及TGV)技術的發(fā)展趨勢

從目前的研究和市場情況來看，全球芯片三維封裝技術（TSV及TGV）呈現出多方面的發(fā)展趨勢。

一、向更高密度的集成發(fā)展 隨著人工智能、高性能計算等領域對芯片性能要求的不斷提高，芯片三維封裝技術需要實現更高的集成度。通過TSV及TGV技術，能夠在垂直方向上堆疊更多的芯片，將不同功能、制程的芯片集成在一起，從而在不增加封裝體尺寸的情況下，大大提高芯片的功能密度。例如，在AI芯片的封裝中，為了滿足其高性能計算需求，需要集成更多的計算單元、存儲單元等不同功能的芯片，而三維封裝技術正好提供了這樣的可能。像英偉達、AMD等公司的新一代AI芯片均采取以TSV為核心的封裝技術，未來有望進一步提高集成密度以提升芯片性能。

二、追求更低的成本和更高的效率 在商業(yè)競爭日益激烈的芯片市場，降低成本和提高生產效率是關鍵。一方面，隨著TSV及TGV技術的不斷成熟，其制造工藝的成本有望降低。例如，TGV技術中的大尺寸超薄玻璃襯底易獲取，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8，這有助于降低封裝成本。另一方面，通過提高封裝的效率，如優(yōu)化TSV和TGV的制造工藝、提高互連的速度和可靠性等，可以縮短芯片的生產周期，提高生產效率。

三、在更多領域的應用拓展 芯片三維封裝技術（TSV及TGV）目前已經在一些領域有了應用，如存儲芯片等，但未來其應用領域將不斷拓展。在物聯網領域，隨著設備的小型化和多功能化需求，三維封裝技術可以將傳感器、處理器、通信芯片等集成在一起，滿足物聯網設備的需求。在消費電子領域，如智能手機、平板電腦等，三維封裝技術有助于提高設備的性能并減小尺寸。此外，在醫(yī)療、汽車等領域，也對高性能、小型化的芯片有需求，三維封裝技術將在這些領域找到更多的應用場景。

四、TGV技術的逐漸興起 與TSV技術相比，TGV技術具有一些獨特的優(yōu)勢，如低成本、大尺寸超薄玻璃襯底易獲取、高頻電學性能優(yōu)異等。隨著研究的深入，TGV技術有望在部分場景下替代TSV技術，成為三維封裝領域的重要發(fā)展方向。目前全球先進封裝市場規(guī)模在新技術的影響下快速擴容，TGV技術將在其中占據重要地位，例如在AI + Chiplet趨勢下，TGV有望在部分場景下替代TSV，進而成為AI時代先進封裝核心演進方向之一，其遠期成長空間廣闊。

芯片三維封裝(TSV及TGV)技術的突破與創(chuàng)新

一、TSV技術的突破

1. 工藝制程方面

• 在TSV的制作工藝上不斷取得進展，例如實現更小尺寸的TSV制作。如采用“正面后通孔”TSV工藝技術，實現5μm x 60μm TSV的制作，這有助于提高芯片的集成度。更小的TSV尺寸意味著在相同的芯片面積上可以容納更多的通孔，從而實現更多的垂直連接，有利于提高芯片內部信號傳輸的效率和速度，并且可以在不增加芯片封裝體積的情況下集成更多的功能模塊。

• 在TSV與其他工藝的兼容性方面也有突破。如在硅光SOI晶圓上集成TSV，完成懸臂梁端面耦合器與TSV工藝兼容性整合，這一突破使得光芯片與電芯片能夠更好地進行垂直電互連，為光 - 電混合集成芯片的發(fā)展提供了技術支持，拓寬了TSV技術在光通信、光電集成等領域的應用前景。

2. 互連性能提升方面

• 在TSV的互連性能上不斷優(yōu)化，降低信號傳輸的損耗。通過改進TSV的材料、結構以及與周圍電路的連接方式等，減少信號在垂直傳輸過程中的衰減和干擾。例如在一些高速通信芯片的封裝中，優(yōu)化后的TSV結構能夠有效降低信號傳輸延遲，提高數據傳輸的帶寬，滿足高速信號傳輸的需求。

二、TGV技術的創(chuàng)新

1. 成孔技術創(chuàng)新

• TGV技術的成孔技術是其關鍵技術之一。激光誘導刻蝕技術因其成孔質量均勻、一致性好、無裂紋、成孔速率快等優(yōu)點在成孔技術中脫穎而出。這種創(chuàng)新的成孔技術使得TGV的制造更加高效和可靠，有助于提高TGV的產量和質量，為TGV技術的大規(guī)模應用奠定了基礎。通過激光誘導刻蝕技術，可以在玻璃基板上精確地制造出符合要求的通孔，并且能夠保證通孔的電學性能和機械性能，在滿足不同封裝需求方面具有很大的優(yōu)勢。

2. 性能優(yōu)勢發(fā)揮方面

• TGV技術利用玻璃基板的特性實現了多項性能的提升。與硅基板相比，玻璃材料沒有自由移動的電荷，且其介電常數在5左右，僅為硅的三分之一，可以有效避免TSV技術中硅基板對于電子傳輸的影響，從而提高電子傳輸的效率。此外，TGV技術無需制作絕緣層，降低了工藝的復雜度和加工成本。同時，大尺寸超薄玻璃易于獲取，玻璃轉接板的制作成本大約只有硅基轉接板的1/8，而且玻璃穩(wěn)定的機械性能實現了非常高的超大尺寸封裝良率，玻璃基板大尺寸穩(wěn)定性以及可調節(jié)的剛性模量使其通孔密度是原先硅基板的10倍，提高芯片封裝密度。

三、TSV與TGV技術配合的創(chuàng)新

• 在芯片三維封裝中，TSV和TGV技術與水平方向的RDL技術配合，實現了芯片的三維異質集成。這種多技術的協同創(chuàng)新可以將不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet集成到一個封裝體中。例如，在高性能計算芯片的封裝中，可以將計算芯片、存儲芯片等不同功能和制程的小芯片通過TSV/TGV與RDL技術的配合，集成到一個封裝體中，從而提高帶寬和電源效率并減小延遲，為高性能計算、人工智能和智慧終端等提供小尺寸、高性能的芯片，這是芯片三維封裝技術在架構層面的創(chuàng)新，突破了傳統二維封裝在功能集成和性能提升方面的局限。

近期芯片三維封裝(TSV及TGV)技術的行業(yè)報告

一、關于TGV技術的市場前景報告 根據Yole數據，2021 - 2026年全球先進封裝市場規(guī)模將從350億美元增長至482億美元，CAGR（復合年增長率）將超過行業(yè)年復合增速（4.34%）達到6.61%。TGV技術在這個增長的市場中具有重要地位。隨著AI芯片尺寸和封裝基板的不斷增大，對于封裝技術的要求也越來越高，而TGV技術被認為是下一代三維集成的關鍵技術。

二、TGV技術在AI領域的應用及潛力報告 在AI + Chiplet趨勢下，TGV技術有著廣闊的發(fā)展空間。目前英偉達H100、AMD MI300、壁仞科技BR100等新一代AI芯片均采取以TSV為核心COWoS封裝，但由于TGV對TSV存在一定優(yōu)勢，TGV有望在部分場景下替代TSV，進而成為AI時代先進封裝核心演進方向之一，疊加大模型推動之下加速計算芯片需求高增，TGV遠期成長空間廣闊。例如國內沃格光電大力推進TGV技術在高算力服務器領域的應用，并且玻璃芯載板長期潛力巨大，假以時日或與ABF分庭抗禮。除玻璃轉接板外，TGV另一重要應用為玻璃芯載板，在Al+Chiplet風潮之下產業(yè)轉向大尺寸封裝及小芯片設計，封裝材料要求與日俱增的情況下，TGV技術的應用將不斷拓展。

三、TGV技術的技術難點及國內外發(fā)展情況報告 TGV技術雖然是TSV技術的升級，但由于基板材料技術相差甚遠，原有成熟的TSV技術無法直接應用在TGV技術。成孔技術成為制約TGV技術量產的關鍵問題。不過目前業(yè)界通過激光誘導刻蝕得到了良率穩(wěn)定、性能優(yōu)秀的玻璃通孔，有望短期實現量產。全球TGV技術處于起步階段，國內外技術水平相近，不存在寡頭壟斷現象。國內沃格光電作為全球少數掌握成熟TGV技術的企業(yè)，大力推進TGV技術在高算力芯片領域的應用，其全資子公司湖北通格微今年布局了100萬平方米產能來應對玻璃基板在各領域應用需求。另外國內各激光設備廠商的研發(fā)水平也均處在行業(yè)領先地位。

芯片三維先進芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

·         合明科技運用自身原創(chuàng)的產品技術，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產自主提供強有力的支持。