3D封裝遲遲不來，玻璃內(nèi)插器技術(shù)來解圍？

IEDM 2014會議期間提供了一些課程教材，其中，關(guān)于3D IC的幻燈片引起了我的注意。下面圖中幻燈片給出了關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)中所使用的不同內(nèi)插器的概述。

在這個教程中，我看到了大家關(guān)于內(nèi)插器怎樣改變半導(dǎo)體行業(yè)的一些討論。在早期，內(nèi)插器的功用在于可以使器件擁有非常大的IO數(shù)量，這樣一來內(nèi)插器是作為層疊平臺的擴(kuò)充套件形式存在的，但現(xiàn)在，它可以很好地節(jié)省器件成本，在這里，可以將無源器件嵌入進(jìn)來從而降低整體封裝尺寸。像電容、電阻、電感這樣的無源器件會占據(jù)超過50%的寶貴晶片面積，所以如果把它們從處理器的管芯上移除掉，會讓集成整合更加高效。這張幻燈片讓我想到在一個內(nèi)插器中集成無源器件（IPD）及其成本評估。我很想知道，是否會有芯片制造商染指這個領(lǐng)域。

我發(fā)現(xiàn)，2014年的IEDM大會上有一篇來自臺積電的論文，在文中他們描述了采用銅鑲嵌工藝在硅內(nèi)插器上實現(xiàn)的一種MIM電容。硅內(nèi)插器具有從頂部和底部兩側(cè)連接到外部器件的能力。在最頂部金屬層的上面，有一個重分布的層連接到一個u型凸點上，有助于和處理器管芯的連接。而在基片的底部，一個硅通孔連接到一個C4凸塊焊盤上，從而附著到封裝基板上。相信這應(yīng)該是目前在硅內(nèi)插器上嵌入無源器件的最尖端的案例。

接下來我又搜索了關(guān)于在玻璃襯底上嵌入無源器件的資料。玻璃襯底一直在吸引大量的關(guān)注，特別是在高頻應(yīng)用中，因為玻璃可以在跨度很大的工作頻率和溫度區(qū)間內(nèi)保持低損的特性。這種技術(shù)的主要玩家有佐治亞理工學(xué)院、IMEC、意法半導(dǎo)體、弗勞恩霍夫研究所、肖特集團(tuán)、旭硝子與道康寧。所有這些公司都在玻璃內(nèi)插器上進(jìn)行了深入的研發(fā)，而且所有公司都在玻璃襯底上制造了無源器件，并在若干個會議中展示了他們的研究成果。大多數(shù)情況下，會在玻璃襯底上沉積一層有機(jī)體，然后在這個有機(jī)層上生產(chǎn)無源器件。佐治亞理工學(xué)院的網(wǎng)站上同樣展示了采用玻璃通孔工藝的無源器件。

不過，可能是因為我搜索的資料有限，我并沒有找到在一個內(nèi)插器上實現(xiàn)的帶有IPD的商業(yè)化芯片，這樣的芯片中，內(nèi)插器是連接到處理器上的。如果是這樣，這實際上是一種2.5D的集成方案，對玻璃襯底也是如此。由于存在一些固有的制造挑戰(zhàn)，在這個方案上，玻璃內(nèi)插器落后于硅內(nèi)插器。比如，你可以在硅襯底上應(yīng)用所有已知的半導(dǎo)體行業(yè)的專業(yè)知識。采用先進(jìn)的印刷技術(shù)可以將精細(xì)的尺寸圖案化，在硅襯底上可以實施高密度的硅通孔，而且載體晶圓可以很容易做到厚度低于50微米。而對于玻璃而言，卻很難應(yīng)用這些技術(shù)，把玻璃襯底削薄也充滿了挑戰(zhàn)。然而，玻璃也并非一無是處，它也存在一些優(yōu)勢屬性：它可以做到900毫米x900毫米，這樣一來這些大型面板便可以產(chǎn)生非常高數(shù)量的玻璃內(nèi)插基板，這比從300毫米的硅晶圓上切割出的硅內(nèi)插器的數(shù)量要高出一個量級，從而降低了這些玻璃基板的整體價格。而且，玻璃的低損耗特性非常適合于高頻應(yīng)用，尤其是電感一類的無源器件。當(dāng)然，硅和玻璃這兩種材料都各有自己的優(yōu)缺點。

基于研究和會議記錄，很顯然，半導(dǎo)體行業(yè)將使用嵌入無源器件的內(nèi)插器以實現(xiàn)小型化和增加功能。這個進(jìn)程可能會因為生產(chǎn)良率、測試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及可靠性等問題而有所拖延。

處理器是一種高質(zhì)量規(guī)格的產(chǎn)品，如果我們把它連接到一個實現(xiàn)了無源器件的內(nèi)插器，可能會帶來一些額外的可靠性考慮，特別是處理器和內(nèi)插器的連接處的可靠性。嵌入式組件進(jìn)行返工是不大現(xiàn)實的，所以嵌入式無源器件具有很高的良率至關(guān)重要。我們知道在系統(tǒng)級封裝（SIP）中嵌入無源器件的重要性，所以行業(yè)將很快確定最具成本效益的2.5D集成工藝。大型芯片制造商、研究組織和OSAT成員在內(nèi)插器上進(jìn)行了大量的研發(fā)活動，所以，很可能，我們不用等太久就可以看到在內(nèi)插器中實現(xiàn)IPD的商業(yè)產(chǎn)品成為主流。

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