突破性進(jìn)展：全球首座全自動(dòng)化3D IC封裝廠下半年量產(chǎn)

傳統(tǒng)的平面化2D封裝，已經(jīng)無(wú)法滿足高密度、輕量化、小型化的強(qiáng)烈需求。玻璃金屬穿孔(TGV)是一種應(yīng)用于圓片級(jí)真空封裝領(lǐng)域的新興縱向互連技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)芯片-芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)提供了一種新型技術(shù)途徑，具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)集成等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是下一代5G、6G高頻芯片3D封裝的首選之一。

然而，TGV技術(shù)研發(fā)存在高均一性玻璃微孔陣列制造、玻璃致密回流、玻璃微孔金屬高致密填充等難題。針對(duì)此，李山博士等結(jié)合中科院合肥研究院和中國(guó)科大微納研究與制造中心的前期研究基礎(chǔ)及平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，攻克一系列技術(shù)難題，提出一種新型TGV晶圓制造方案，開(kāi)發(fā)出高均一性、高致密、高深寬比的TGV晶圓。

“我們開(kāi)發(fā)的TGV晶圓就像摩天大樓中基板及其中的管線，具有支撐和加強(qiáng)各樓層緊密聯(lián)系的橋梁作用，且具有超低漏率、超低信號(hào)損耗的優(yōu)勢(shì)?！崩钌浇榻B說(shuō)。經(jīng)檢測(cè)，該團(tuán)隊(duì)研制出的TGV晶圓各項(xiàng)主要參數(shù)均與國(guó)際頂級(jí)玻璃廠商肖特、康寧和泰庫(kù)尼思科等相當(dāng)，部分參數(shù)優(yōu)于國(guó)際水平。

臺(tái)積電今(17)日在2022年北美技術(shù)論壇上公布了3D Fabric平臺(tái)取得的兩大突破性進(jìn)展，并稱臺(tái)積電全球首座全自動(dòng)化3D IC先進(jìn)封裝廠將于下半年量產(chǎn)。

據(jù)臺(tái)媒《聯(lián)合報(bào)》報(bào)道，一是臺(tái)積電已完成全球首顆以各應(yīng)用系統(tǒng)整合芯片堆疊(TSMC-SoICTM)為基礎(chǔ)的中央處理器。采用芯片堆疊于晶圓之上(Chip-on- Wafer, CoW)技術(shù)，來(lái)堆疊三級(jí)快取靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)。

二是創(chuàng)新的智能處理器采用晶圓堆疊于晶圓之上(Wafer-on-Wafer, WoW)技術(shù)堆疊于深溝槽電容芯片之上。

另外，臺(tái)積電稱，為了滿足客戶對(duì)于系統(tǒng)整合芯片及其他臺(tái)積電3D Fabric 系統(tǒng)整合服務(wù)的需求，在竹南打造全球首座全自動(dòng)化 3D Fabric先進(jìn)封裝廠，預(yù)計(jì)今年下半年開(kāi)始生產(chǎn)。

臺(tái)積電(TSM)在2022年北美技術(shù)論壇上公布了3D Fabric平臺(tái)取得的兩大突破性進(jìn)展，一是臺(tái)積電已完成全球首顆以各應(yīng)用系統(tǒng)整合芯片堆疊(TSMC-SoICTM)為基礎(chǔ)的中央處理器，采用芯片堆疊于晶圓之上(Chip-on-Wafer,CoW)技術(shù)將SRAM堆疊為3級(jí)緩存;二是使用Wafer-on-Wafer(WoW)技術(shù)堆疊在深溝槽電容器芯片頂部的突破性智能處理單元。

臺(tái)積電表示，由于CoW和WoW的N7芯片已經(jīng)投入生產(chǎn)，對(duì)N5技術(shù)的支持計(jì)劃在2023年進(jìn)行。另外，為了滿足客戶對(duì)于系統(tǒng)整合芯片及其他臺(tái)積電3D Fabric系統(tǒng)整合服務(wù)的需求，在竹南打造全球首座全自動(dòng)化3D IC先進(jìn)封裝廠，預(yù)計(jì)今年下半年開(kāi)始生產(chǎn)。

除了展示先進(jìn)技術(shù)外，臺(tái)積電并透露了其他重要信息，包括2024年將擁有ASML下一代芯片制造工具以及到2025年，其成熟和專業(yè)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能將擴(kuò)大約50%。

從半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)和微電子產(chǎn)品系統(tǒng)層面來(lái)看，先進(jìn)封測(cè)環(huán)節(jié)將扮演越來(lái)越重要的角色。如何把環(huán)環(huán)相扣的芯片技術(shù)鏈系統(tǒng)整合到一起，才是未來(lái)發(fā)展的重心。有了先進(jìn)封裝技術(shù)，與芯片設(shè)計(jì)和制造緊密配合，半導(dǎo)體世界將會(huì)開(kāi)創(chuàng)一片新天地?，F(xiàn)在需要讓跑龍?zhí)兹甑姆庋b技術(shù)走到舞臺(tái)中央。

日前，廈門(mén)大學(xué)特聘教授、云天半導(dǎo)體創(chuàng)始人于大全博士在直播節(jié)目中指出，隨著摩爾定律發(fā)展趨緩，通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)微型化、多功能化成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的引擎。在人工智能、自動(dòng)駕駛、5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的加持下，使得三維(3D)集成先進(jìn)封裝的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，發(fā)展迅猛。

封裝技術(shù)伴隨集成電路發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生，主要功能是完成電源分配、信號(hào)分配、散熱和保護(hù)。伴隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，封裝技術(shù)不斷革新。封裝互連密度不斷提高，封裝厚度不斷減小，三維封裝、系統(tǒng)封裝手段不斷演進(jìn)。隨著集成電路應(yīng)用多元化，智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、高性能計(jì)算、5G、人工智能等新興領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)封裝提出更高要求，封裝技術(shù)發(fā)展迅速，創(chuàng)新技術(shù)不斷出現(xiàn)。

于大全博士在分享中也指出，之前由于集成電路技術(shù)按照摩爾定律飛速發(fā)展，封裝技術(shù)跟隨發(fā)展。高性能芯片需要高性能封裝技術(shù)。進(jìn)入2010年后，中道封裝技術(shù)出現(xiàn)，例如晶圓級(jí)封裝(WLP，Wafer Level Package)、硅通孔技術(shù)(TSV，Through Silicon Via)、2.5D Interposer、3DIC、Fan-Out 等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，極大地提升了先進(jìn)封裝技術(shù)水平。

當(dāng)前，隨著摩爾定律趨緩，封裝技術(shù)重要性凸顯，成為電子產(chǎn)品小型化、多功能化、降低功耗，提高帶寬的重要手段。先進(jìn)封裝向著系統(tǒng)集成、高速、高頻、三維方向發(fā)展。

圖1展示了當(dāng)前主流的先進(jìn)封裝技術(shù)平臺(tái)，包括Flip-Chip、WLCSP、Fan-Out、Embedded IC、3D WLCSP、3D IC、2.5D interposer等7個(gè)重要技術(shù)。其中絕大部分和晶圓級(jí)封裝技術(shù)相關(guān)。支撐這些平臺(tái)技術(shù)的主要工藝包括微凸點(diǎn)、再布線、植球、C2W、W2W、拆鍵合、TSV工藝等。先進(jìn)封裝技術(shù)本身不斷創(chuàng)新發(fā)展，以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的三維集成需求。當(dāng)前，高密度TSV技術(shù)/Fan-Out扇出技術(shù)由于其靈活、高密度、適于系統(tǒng)集成，而成為目前先進(jìn)封裝的核心技術(shù)。

近年來(lái)，芯片與電子產(chǎn)品中高性能、高可靠性、高密度集成的強(qiáng)烈需求催生了3D封裝技術(shù)并使其成為集成電路發(fā)展的主要推動(dòng)力量之一。傳統(tǒng)的平面化2D封裝已經(jīng)無(wú)法滿足高密度、輕量化、小型化的強(qiáng)烈需求。玻璃金屬穿孔(TGV)是一種應(yīng)用于圓片級(jí)真空封裝領(lǐng)域的新興縱向互連技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)芯片-芯片之間距離最短、間距最小的互聯(lián)提供了一種新型技術(shù)途徑，具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，在射頻芯片、高端MEMS傳感器、高密度系統(tǒng)集成等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是下一代5G、6G高頻芯片3D封裝的首選之一。

為此，團(tuán)隊(duì)針對(duì)TGV現(xiàn)有工藝問(wèn)題，結(jié)合中科院合肥研究院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的前期研究基礎(chǔ)及平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，提出一種新型TGV晶圓制造方案，開(kāi)發(fā)出了高均一性、高致密、高深寬比的TGV晶圓，具有超低漏率、超低信號(hào)損耗的優(yōu)勢(shì)，滿足環(huán)形諧振器、波導(dǎo)縫隙天線、毫米波天線等5G/6G高頻芯片，以及新型MEMS陀螺儀、加速度計(jì)3D封裝需求。經(jīng)檢測(cè)，團(tuán)隊(duì)研制出的TGV晶圓各項(xiàng)主要參數(shù)均與國(guó)際頂級(jí)玻璃廠商肖特、康寧和泰庫(kù)尼思科等相當(dāng)，部分參數(shù)優(yōu)于國(guó)際水平。

該項(xiàng)技術(shù)具有高度靈活性，可滿足客戶諸多定制化需求，經(jīng)濟(jì)效益、行業(yè)意義重大，在半導(dǎo)體芯片3D先進(jìn)封裝、射頻芯片封裝、MEMS傳感器封裝，以及新型MEMS傳感器(MEMS質(zhì)譜、MEMS遷移譜)設(shè)計(jì)制造、新型玻璃基微流控芯片制作等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。