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高级包出了什么问题

更多的异构设计和包装选择在供应链中增加了挑战,从设计到制造和进入现场。

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Advanced packaging may be the best way forward for massive improvements in performance, lower power, and different form factors, but it adds a whole new set of issues that were much better understood when Moore’s Law and the ITRS roadmap created a semi-standardized path forward for the chip industry.

不同的先进的包装选项——系统内封装、扇出、2.5D、3D-IC——增加了针对特定应用、市场和用例所需的灵活性。这些方法还使得将各种类型和数量的内存和处理元素集成到包中变得更加容易。在已建立的流程节点上开发或优化的模拟传感器和其他组件可以与在新或旧节点上开发的其他组件集成。

然而,所有这些灵活性、集成和专门化都是有代价的:

  • 复杂性增加。虽然一些问题更简单,例如设计电力传递网络或用于热或数据流的落地计划,但多个芯片的集成可能导致各种相互作用 - 其中一些可能只显示在一个特定实现中。检查,计量和测试特别有问题,因为并非所有独特的设计都可以访问。
  • 独特的设计。因为许多设计都是为特定的应用程序或细分市场定制的,所以很少有现成的设计、老化或制造(PDKs)模型。
  • 不同的一生。这些套餐是为汽车,MIL / AERO和工业应用而开发的,其中一生可以长达25年。其他人只能预期持续几年。这需要深入了解所有各个部件以及互连和包装材料,以便在整个寿命中正常工作。这可能不是所有人都会均匀增长。

与过去不同,当设计为10亿个单位完善时,其中一些设备被推出,数量更大,所有这些设备都在发生更严格的时间限制下发生。

“不同的公司采取不同的方法,无论是扇进还是扇出,”Subodh Kulkarni表示讯连丝器。“其中有各种不同的方法,比如台积电的CoWoS(片上芯片片上基板)。三星也有自己的版本。因此,半导体行业的经典咒语——一切都是标准化的,数以亿计的芯片都是用同样的方式制造的——在先进的封装世界里正在瓦解。在某种程度上,每家公司都在制定自己的路线。”

这必须在某些时候更改,以使这些设计成为主流,并将碎片连接到供应链中。

“生态系统中的每个人现在在构建一个系统时发表了一句话,每个人都必须发挥他们的部分,”肯特斯塔恩说,包装设计工程师说synopsys.。“要达到高产量和对失败有高影响的标准是必须的。此外,我们还需要对时间敏感的数据,这些数据必须具有可操作性。”

尽管如此,这仍然存在批量生产和定制之间的棘手平衡。包装为平面设备上不可行的专业化增加了灵活性和选项,即使是那些具有最深口袋的公司也是如此。数字逻辑的缩放已经与其他技术不同步,例如内存,并且通过将其缩放到较小的几何形状,而不是模拟收益。实际上,存在许多可能的配置,即甚至在设备之间发现重叠以简化制造和测试,此时难以困难。

虽然随着标准接口和芯片的引入,这种情况可能会改变,但目前的方法给设备制造商、铸造厂和包装公司带来了压力,要求它们在产品和流程中增加灵活性,而这并不总是可行的。有时它需要更多或不同的设备。在设计方面,它需要复杂的划分,要记住大量可能的物理/邻近效应,通常是在多个维度上——沿着x、y和z轴,以及随着时间的推移。

该公司高级副总裁殷昌表示:“我们可以创建这种异构集成,使我们能够将芯片放入系统中,并输入完全不同类型的芯片,无论是模拟芯片、混合信号芯片、数字芯片,甚至传感器芯片。日月光半导体,在最近的演示中。“模具分区可以提高产量,以及集成高带宽内存的能力和重复使用各种IP的能力,并降低功率是集成的关键。”

Chang表示,关键是为创建高密度集成包的最有效方式提供选项,无论那些是否用于将天线合并到包装中的AI,高性能数据中心或5G毫米波设备。“所以有一个巨大的工具箱,可以让设计师创建下一个对于特定的解决方案(打包系统),无论是在边缘上,还是在服务器上使用的高密度解决方案。”

图2:高性能计算封装的不同选择,基于插入体的2.5D与基板上的扇出芯片(FOCoS)。来源:日月光半导体

图1:高性能计算封装的不同选择,基于插入体的2.5D与基板上的扇出芯片(FOCoS)。来源:日月光半导体

制造挑战
每个选项都增加了自己的挑战。例如,材料的不匹配可能会对包装造成压力,从而降低一些重要部件的预期寿命。

“芯片包相互作用(CPI)已成为Fab流程迁移到使用铜/低k,超低k或极端低k介电材料的高级节点的关键可靠性问题”陈,主任联华电子的测试和包装工程服务部。“在组装过程中,封装内部会发生热机械变形和应力发展,由于芯片和衬底之间的热膨胀系数不匹配,这会影响后续的可靠性测试。晶圆厂需要增强FBEoL(远后端线)薄膜的强度、附着力和结构,以确保CPI解决方案的强大包装工艺窗口。”

开发这些设备的团队需要考虑一系列可能的效果和相互作用。

“关于先进的包装演进,铜柱,家禽(扇出晶圆级包装)和2.5D / 3D-IC,FAB FBEOL薄膜需要优化更多胶片强度,粘附和结构,以集成不同的芯片和技术节点,“陈说。“重要的是,混合粘合需要严格的晶片CMP(化学机械抛光)过程控制和材料选择,以实现用于晶片到晶片或芯片到晶片的可靠的晶片键合。”

因此,虽然抛光晶圆片后留下的纳米级粒子可能不会对平面芯片造成问题,但当两个芯片结合在一起时,它就会造成一系列问题。而在一个芯片中,或在用于连接这些芯片的材料中,杂质会影响整个多芯片封装,导致产量下降和成本上升。

杂质可以从材料供应链中的任何位置蠕动。它们可以是填充高粘度材料的50加仑滚筒中的未检测到的颗粒,或者它们可以是纳米尺寸的缺陷在基板或插入器中深。

“要平衡不同需求的产品规格是很困难的,”该公司生产、质量和物流执行董事汤姆•布朗(Tom Brown)表示布鲁尔科学。“尖端半导体制造商生产高端、超清洁、零缺陷材料的成本不断上升。为了达到这些质量水平而进行的持续改进,在其他没有用于制造芯片关键部件的材料上是难以证明的,但这些材料对芯片的包装和堆叠非常关键,以满足整体性能要求。但环境条件和控制并不一定对每一种产品都处于相同的临界水平。作为材料供应商,了解投资方向,并在芯片制造商试图降低成本的情况下获取投资回报,将成为一个越来越大的挑战。”

包装方面也是如此。该公司研发副总裁Curtis Zwenger表示:“我们的基板供应商有很多不同,我们一直在推动他们改进剧本技术。“在组装方面,锡膏检测有很多变化,我们使用的喷射方式是为了防止高精度模板不够充分。我们从SiP中学到的是,它可以是一个高度手工化的过程,因此我们齐心协力,通过自动化来真正提高过程质量和变化控制的产量。”

图2:RDL衬底底部的横截面。资料来源:公司

图2:RDL衬底底部的横截面。资料来源:公司

产量和成本计算需要在包装中的所有芯片和组件以及包装中的零件。芯片可能可接受0.001%的故障率,但是需要乘以所有芯片的成本和复杂的包装中的互连和额外的步骤,包括设计,制造和测试流程的每个步骤。

不管你用DUV还是EUV,您知道所需的材料和指定的要求,“棕色说。“但通过包装,尚未进行标准过程或方法,因此对于各种客户使用的每种技术,材料集是不同的 - 临时或永久;小组或个人;滑动,激光或化学释放。您必须创建用于不同目的的重要材料组合,不同的设备集和巨大不同的关键设计参数,影响您的生产过程,控制,规格和测试。“

这些考虑对于确保这些设备是必不可少的,它们将以可预测的水平产生,并且它们将在其预期的寿命中运作。但他们还必须跨各种包装架构施用。

“不同的应用程序具有不同的芯片包互动资格要求,”UMC的陈说。“为了满足这些标准,晶圆铸造厂和包装Osats需要处理/材料/结构优化,以确保强大的CPI解决方案。不同的技术和节点具有不同的设计规则支持,他们需要通过全CPI资格来确保设计和可靠性能够满足所要求的要求。“

测试、检验和计量方面的挑战
完全理解哪些特定应用程序的最佳选择需要数年,即使是需要考虑洪水的新选择和发展。

“所有这些异构集成都已经碎了市场,”克林斯尼说。“当你看看实际的架构时,传播非常宽。这影响了所有参与包装行业的公司。他们使用的具体过程是完全不同的,这意味着检查和计量需要完全不同。因此,当我们被任何这些大型工厂或包装的房屋呼吁并看看实际包裹时,即使在高层的情况下,他们也可能会说它是扇入或扇出,不同公司的实际包看起来很不同。间隙不同,间距不同,高度是不同的。在我们看到共性的地方,它们都变得昂贵,部分越来越小,他们现在都想要100%的检查 - 但我们今天不在那里。“

在测试方面也是如此。“电气测试本身只能提供信心,即芯片在其当前的无顽固状态是电气的,”Ben Meihack说,产品营销专家上的创新。它不考虑应力,将施加在硅后键合或封装。这可能导致立即失败的一个例子,后模连接,是一个潜在的侧壁裂纹,没有表现在测试性能的偏差。在这种情况下,粘接后过程可能导致裂纹扩展超过裂纹止裂结构,直到达到一个自由表面,并杀死模具和封装。”

变化增加了另一个挑战。与缺陷和污染一样,包装中的变化可以是具有多个芯片的添加剂。“越来越复杂的先进包装技术需要针对许多变异类型进行更严格的过程窗口,”工业和客户合作高级总监CHET LENOX表示克拉。“一个经典的例子是,在热压键合之前,随着目标微凸度的降低,如何继续减少微凸度的变化。此外,我们还看到先进的包装驱动着全新的集成方案,以满足变化和清洁要求。例如,使用等离子体切割来获得非常干净、低粒子的激振效果正在显著增加。”

这也推高了设备成本,因为并不是所有的设备都能在最先进的包装中发现问题。对于5G来说尤其如此,5G的产量达到数亿甚至数十亿台。Lenox表示:“在先进封装中使用的高端IC基板上,对当前工艺变化的容忍降低,推动了更高的检测水平,在更多情况下,使用自动光学整形来提高产量。”“此外,满足5G射频要求的阻抗控制,显然已转化为CD和3D测量的需求增加。”

材料和压力
先进的包装需要机械和电气工程、材料科学、经济学、供应链管理方面的专业知识,以及设备正在创造的任何市场应用领域的专业知识。

布鲁尔的布朗说:“这些需求从几个方面影响了生产流程。”“首先,随着终端用户期望的增加,客户的性能要求变得更加广泛。例如,一个典型的产品验收证书可能曾经只需要10个项目作为标准。现在,一些客户在COA(分析证书)上列出了200多个要求。此外,我们的客户的生产线正在实现对他们产品的微小变化的敏感性增加,导致现有的预期收紧。规格限制和控制限制每一代都在收紧。”

这些担忧在整个供应链上得到了呼应。“保形薄膜和薄膜的材料工程正成为一个超级热门的话题,”David Fried说,他是计算产品的副总裁林的研究。“材料工程是薄膜开发中最重要的方面之一。以前,我们使用材料工程来诱导设备应力进行性能。这些天我们已经过分了。但是我们发现的是,我们存放的每一种材料都有一些内在的压力,并且这些特征对设备具有很多影响,整合和结果。“

这对检测任何畸变的能力都有影响,尤其是当多个芯片打包在一起时。这是明显的测试方面,探头卡正变得越来越定制化、复杂,而且针对每种设计的数量越来越多。

“在手机中,你需要能够为每个部件提供一个测试解决方案,以及当它们集成在一起时的解决方案,”华为的产品营销总监Alan Liao说构成因素。“一个例子是高带宽内存,你垂直集成一个4到8个堆栈的内存,然后通过一个硅插入器集成它,旁边是一个SoC芯片。我们可以测试晶圆上的每个存储芯片,用一次触地、一次射击,来告诉你这个芯片是好是坏。”

但这只是第一步。内存也需要堆叠和测试,并且需要测试插入器和SOC。“具有挑战性的部分是内存由一家公司提供,SoC由不同的公司提供,包装屋提供硅插入器并将它们包装在一起,”廖说。“只有一条芯片,您可以判断它是否好或坏,并且您知道您是否购买了良好的芯片或坏芯片。但如果整个包裹失败,谁负责?您需要数据能够解决商业模式。“

权衡
这些多芯片包装是否正常工作,在大量用例中取决于使用情况,以及这些用例中的权衡种类。这种技术的用例可以很大差异,这决定了这些包的实际看起来,表现和最终产生的。

“有两位主要的司机,”Amkor Technology的先进包装开发和集成副总裁Mike Kelly说。“一个人是想要快速进入市场的公司,因为这是一个新的市场,他们想测试它。这提供了脚趾。第二是,“我们真的需要建立一个对这个市场惊人的东西,因为现在有很多人。所以我们还能做些什么?“每个人都会非常不同。但整个包装竞技场对于半导体的未来绝对至关重要,因为超过3nm的缩放是可怕的。问题是有很多选项,难以弄清楚哪种方式。“

以权力为例。“在这些新的节点中,每个人都会遇到的一个问题是,运行电压正在下降,”凯利说。“所以出错的余地更小。这意味着集成电路对任何变化的容忍度都较低。将局部电荷存储在靠近模体的地方变得更加重要。我们肯定看到这在5纳米,我们预计它将更糟糕在3纳米。所以现在您有更小的空白来处理容错。除此之外,还有机械变化、热变化等等。”

图3:RDL机械故障。资料来源:公司

图3:RDL机械故障。资料来源:公司

包装可以减轻这些影响。但它也增加了新的因素,如热耗散、机械应力和不均匀老化。理解包中包含的内容、所有内容如何连接在一起,以及将在何处使用,这些都是至关重要的前期决策。

“几年前有一个包装会议,关于如何处理这些复杂、异构的包装有很多争论,”Keith Schaub说,他是技术和战略副总裁美国效果显著。“答案是,”这取决于。“它是基于消费者和非关键的东西,所以如果它不起作用,你就会扔掉它?或者是SPACEX还是NASA组件?如果您只有重复的技术,则可能更易于解决一些问题,如他们建立到太空任务的那种冗余。如果计算机失败,你就有另一个。“

并非每个申请都将支持那种方法,既不是成本原因和形式因素限制。将冗余融入卫星是一件事。它是另一方面,将冗余添加到可穿戴设备中,例如增强现实眼镜。后者需要对所有可能的未知数的更严格控制。

“当你从一个已知的好的模具到一个已知的好的系统,有制造和设计方面的考虑,”Dennis Ciplickas说,他是先进解决方案的副总裁PDF的解决方案。“就像你建立一个SOC时,你有一个PDK,你需要设计和模拟该PDK。但没有PDK是完美的,你最终有权守卫或做出关于你的真实运行条件的某些假设以及它在设计期间的建模。然后,当您最终获得芯片时,您正在测试它并对所有这些假设进行评估。但是这种过程也不完美。“

对于多芯片封装来说,这就更加困难了。Ciplickas说:“如果你查看包中的模块或系统,你会发现在层次结构上存在同样的问题。”“所以每个芯片都是已知的优秀芯片,但它的工作方式是否像我预期的那样?我能对它进行测试评估并证明它对那些操作条件是好的吗?在sip中的一个挑战是实现您希望通过构建一个真正大的单个芯片获得的性能。但将所有这些集成到一个芯片中要昂贵得多,甚至可能不可能集成到模拟元件中。所以根据定义,你要在这些元素之间使用复杂的,高速的接口。现在,你的假设是什么?你戴的是什么护具?在将芯片插入芯片,然后插入模组,然后组装模组之前,如何测试和评估模组在这个速度下的工作?”

生命周期管理挑战
这些不确定性为围绕硅生命周期管理和数据分析的新商业模式打开了大门。

“先进的包装增加了另一层复杂性,因为它缺乏可见性并依赖于高密度架构,这限制了冗余回归,”总经理Gal Carmel说proteantecs'汽车部门。“此外,芯片的人工智能部分也在增长。这不仅与封装和先进节点有关,而且芯片架构是由人工智能驱动的,并使用现场推理和培训来不断改进硬件架构。利用这个反馈循环,你可以减少硬件冗余,优化复杂性。”

这对于长期的可靠性监测是至关重要的。改变建筑和位置会增加热量或其他压力影响,这将影响各种与年龄相关的影响。

Onto公司的应用工程经理Woo Young Han表示:“封装中的芯片不会以同样的速度老化。”“一些芯片老化过早,相比其他在同一包,导致整个单位过早地失败。用于汽车设备的半导体芯片暴露在极端环境(热或冷)下,极端温度给这些芯片增加了很多压力。模具上的细小裂纹等缺陷在芯片使用的早期阶段可能没有任何影响,但极端的温度会导致这些裂纹增长并导致芯片失效。这就是为什么汽车设备必须进行100%的视觉缺陷检查。”

即使在没有完全冗余的空间时,也可以在此类组件中有选择性冗余作为互连。

Synopsys的Stahn表示:“有了插话,tsv就会多余。“你可以在设备的生命周期内进行温度循环,这使它更加坚固。这也可以用于包装基板上。你还可以在硅中添加更多的传感器,以判断设备的老化程度以及它将在多长时间内变得不可靠。它是否暴露在高温下?分析是它的一个新部分,你可以分析如果它暴露了很长一段时间会发生什么。”

这确实给包设计增加了一些开销,但代价是防止系统故障。“用例定义了管理费用预算,”Stahn说。“如果它是一款可穿戴设备,那可能并不重要。在网络、云或服务器环境中,你需要弄清楚如何测试和构建这种冗余,这样它才能存活更长时间。”

这些问题可以在供应链中的任何地方裁剪。Bristina Matos啤酒厂的技术总监Matos指出,封装中使用的一些材料旨在是永久性的,而其他材料在制造期间牺牲或抛光。“永久材料受到严厉条件的影响,并且必须在没有任何化学或机械变化的情况下在设备的预期终身内存,”她说。“为了实现行业期望,我们专注于设计新材料和平衡结构性质关系,以确保材料符合加速老化,温度循环和苛刻储存条件的预期。”

最后,如果某件事在这个领域失败了,它可能在数年内都不会发生。当一个关键部件需要更换,但由于生产该部件的公司不再支持该部件、被收购或破产而无法使用时,你会怎么做?

“我们见过这样的例子,一些公司生产了数千个零部件,但当它们生产完成后,它们破坏了所有的层,因为它们不希望人们对它们进行逆向工程,”该公司的高级工艺工程师萨姆•萨德里(Sam Sadri)表示QP技术(以前的Quik-Pak)。“那么,20年后,他们要求更多。处理这一点的唯一方法是删除包装,并使用旧技术来重建机械占地面积,间距和电气特性。这种方法在过去五年中一直在趋势,但现在它已经回来了。“

结论
与与先进的包装相关的几乎所有内容一样,使用案例,实现和包内的设备的各个组件,寿命会有所不同。已知的好死只是一块集成包装。能够在整个寿命中制造,测试,检查和监控这些设备至关重要,但是了解可能出现问题并避免将来的错误。

芯片行业才刚刚开始这个旅程,因为设备扩展变得如此困难和昂贵,而且在每个新节点上,功率/性能/区域/成本效益都在缩小。在某种程度上,标准将变得更加普遍,而将这些设备组装在一起的更可预测的方式将占据主导地位。但所有这些都需要数年的时间、大量的数据和大量的实验来确定哪种方法最有效。

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变异威胁在高级节点,包增长
复杂的相互作用和更严格的公差会影响性能,功率和预期寿命。
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挑战对先进包装和旧技术的新创新造成挑战。
寻找高级包装中的开放缺陷
没有一种单一的筛选方法可以显示所有可能产生的缺陷。
设计2.5D系统
使用插入器连接DIES需要新的和修改的流程,以及组织变化。
更强大,在先进的包装中更好地粘合
研究人员在不同的铜结构上零。



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