《異構集成技術》一書主要內(nèi)容涉及異構集成技術的基本構成、技術體系、工藝細節(jié)及其應用,涵蓋有機基板上的異構集成、硅基板(TSV轉接板、橋)上的異構集成、扇出型晶圓級/板級封裝、扇出型RDL基板的異構集成、PoP異構集成、內(nèi)存堆疊的異構集成、芯片到芯片堆疊的異構集成、CIS、LED、MEMS和VCSEL異構集成等方面的基礎知識,隨后介紹了異構集成的發(fā)展趨勢。本書圖文并茂,既有工藝流程詳解,又有電子信息行業(yè)和頭部公司介紹,插圖均為彩色圖片,一目了然,便于閱讀、理解。
《異構集成技術》一書內(nèi)容對于異構集成的成功至關重要,將為我國電子信息的教學研究和產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)制造提供參考,具有較強的指導價值,并將進一步推動我國高級封裝技術的不斷進步。
原書前言
在摩爾定律的驅動下,再加上諸如智能手機、平板計算機和可穿戴設備移動產(chǎn)品的需求,SoC(片上系統(tǒng))過去10多年已經(jīng)非常普及。SoC可以將不同功能的集成電路(IC)集成到單芯片上形成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)的單芯片。不幸的是,摩爾定律即將終結,并且制造SoC所需工藝的特征尺寸(進行縮放)的減小變得更加困難和昂貴。異構集成則與SoC形成了對照:異構集成使用封裝技術,將來自不同的芯片設計公司、代工廠、不同晶圓尺寸、特征尺寸和公司的不同材料和功能的芯片、光子器件或不同材料和功能的組件(平鋪、堆疊或兩者兼有)集成到一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)中。系統(tǒng)級封裝(SiP)與異構集成非常相似,只是異構集成適用于更細的節(jié)距、更多的輸入/輸出(I/O)、更高的密度和更高的性能。
總體上,異構集成可以歸類為基于有機基板的異構集成、基于硅基板(帶TSV轉接板)的異構集成、基于硅基板(無TSV,如橋)的異構集成、基于扇出RDL(再布線層)基板的異構集成和基于陶瓷基板的異構集成。未來幾年里,這些不同類型基板間的異構集成將會陸續(xù)出現(xiàn),無論在性能、外形尺寸、功耗、信號完整性還是在成本等因素方面都將具有更高水平。然而,大多數(shù)從業(yè)工程師和管理人員,以及科學家和研究人員,對于如何建立積層有機封裝基板、積層基板上的頂部薄膜層、有機轉接板、TSV轉接板、TSV和RDL制造、無TSV轉接板、(硅)橋、扇出RDL基板、堆疊封裝、存儲器堆疊、芯片到芯片堆疊、晶圓上凸點形成、熱壓鍵合、低溫鍵合、芯片到晶圓鍵合以及晶圓到晶圓的鍵合還沒有很好的理解。因此,工業(yè)界和學術界迫切需要一本對當前這些關鍵賦能技術知識進行全面介紹的書。本書可以為讀者提供快速解決上述問題的方法和基本知識,并在做出系統(tǒng)級決策、進行內(nèi)在權衡比較時提供指導。
本書共11章,即異構集成綜述;有機基板上的異構集成;硅基板上的異構集成(TSV轉接板);硅基板(橋)上的異構集成;異構集成的扇出晶圓級/板級封裝;基于扇出型RDL基板的異構集成;PoP異構集成;內(nèi)存堆疊的異構集成;芯片到芯片堆疊的異構集成;CIS(CMOS圖像傳感器)、LED(發(fā)光二極管)、MEMS(微機電系統(tǒng))和VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)上的異構集成;異構集成的發(fā)展趨勢。
第1章簡要介紹了異構集成的定義、分類和應用領域。
第2章介紹了有機基板上的異構集成,重點介紹各種有機基板,如積層、積層頂部薄膜層、有機轉接板、無芯基板、引線上凸點和用于異構集成的嵌入式跡線基板。
第3章詳細介紹了硅基板(TSV轉接板)上的異構集成,重點介紹熱性能、機械特性和在TSV轉接板兩側進行芯片異構集成的工藝,并首先簡要介紹了轉接板的TSV和RDL的制造。
第4章介紹了硅基板(無TSV轉接板,如橋)上的異構集成,重點介紹在橋兩側進行芯片異構集成的電性能和制造工藝。首先簡要介紹了英特爾公司的EMIB(嵌入式多芯片互連橋)和微電子研究中心(IMEC)的邏輯和內(nèi)存互連橋。
第5章概述了扇出型晶圓級/板級封裝(FOW/PLP)上的異構集成,重點介紹FOW/PLP的形成和RDL的制造,并簡要介紹了FOW/PLP為異構集成帶來的機遇。
第6章介紹了基于扇出型RDL基板的異構集成。重點介紹使用FOW/PLP技術制造RDL,以消除使用TSV轉接板進行異構集成。
第7章介紹了PoP異構集成,簡要介紹了利用PoP制造的智能手機和智能手表的示例。
第8章討論了內(nèi)存堆疊的異構集成,重點介紹了在兩個內(nèi)存芯片堆疊在一個ASIC上的異構集成和內(nèi)存芯片與邏輯芯片低溫鍵合的異構集成。
第9章介紹了芯片到芯片和面對面異構集成的兩個示例。其中一個示例是利用底部芯片中的TSV傳輸信號、電源和地,另一個示例沒有TSV,而是在更大的芯片上通過焊凸點進行傳輸。
第10章介紹了CIS、LED、MEMS、VCSEL的異構集成,重點介紹了每個異構集成的一些示例。
第11章描述了異構集成的發(fā)展趨勢,重點介紹了各種異構集成的制造工藝、選擇標準和應用范圍(規(guī)格和引腳數(shù))。
本書適用于對異構集成技術非常關注的以下三類專家群體:
1)積極參與或打算積極參與研究和開發(fā)異構集成的關鍵賦能技術的人,如積層有機封裝基板、積層基板頂部薄膜層、有機轉接板、TSV轉接板、TSV和RDL制造、無TSV轉接板、橋、扇出型RDL基板、堆疊封裝(PoP)、內(nèi)存堆疊、芯片與芯片堆疊、晶圓凸點、熱壓鍵合、低溫鍵合、芯片-晶圓鍵合和晶圓-晶圓鍵合。
2)那些遇到異構集成實際問題,希望了解和學習更多解決這類問題方法
的人。
3)那些必須為其產(chǎn)品選擇高可靠、創(chuàng)造性、高性能、高密度、低功耗且成本高效的異構集成技術的人。
本書也可以作為有望成為異構集成技術領域未來領導者、科學家,以及電子和光電子行業(yè)工程師的大學生和研究生教材。
希望本書能成為所有面臨異構集成挑戰(zhàn)性問題的讀者和對異構集成日益增長的興趣所帶來的有價值挑戰(zhàn)性問題的讀者的寶貴參考資料,這些問題是隨著對異構集成日益增長的關注而產(chǎn)生的。同時希望本書能有助于推動、促進對關鍵賦能技術的異構集成產(chǎn)品的研究開發(fā),以及對異構集成產(chǎn)品更合理的應用。
那些已掌握半導體封裝系統(tǒng)異構集成技術設計和制造的組織通過本書將有望在電子和光電子制造行業(yè)取得重大
劉漢誠(John H. Lau)博士
劉漢誠博士是電子、光電、LED、CIS和MEMS元件和系統(tǒng)方面設計、分析、材料、工藝、制造、鑒定、可靠性、測試和熱管理等領域的專家,擁有40多年的集成電路研發(fā)和制造經(jīng)驗,撰寫或合作撰寫了超過480 篇技術論文,發(fā)布或正在申請的專利多達30余項,并在全球范圍內(nèi)進行了290多次講座/研討會/主題演講。他撰寫或合著了超過20部關于IC的3D 集成、TSV的3D 集成、MEMS 封裝、IC的2D和3D互連可靠性、倒裝芯片 WLP、面陣列封裝、高密度 PCB、SMT、DCA、無鉛材料、焊接、制造和焊點可靠性等方面的教材。
目 錄
序
譯者序
原書前言
原書致謝
第1章 異構集成綜述1
1.1 引言1
1.2 多芯片組件(MCM)1
1.2.1 共燒陶瓷型多芯片組件(MCM-C)1
1.2.2 沉積型多芯片組件(MCM-D)2
1.2.3 疊層型多芯片組件(MCM-L)2
1.3 系統(tǒng)級封裝(SiP)2
1.3.1 SiP的目的2
1.3.2 SiP的實際應用2
1.3.3 SiP的潛在應用2
1.4 系統(tǒng)級芯片(SoC)3
1.4.1 蘋果應用處理器(A10)3
1.4.2 蘋果應用處理器(A11)3
1.4.3 蘋果應用處理器(A12)4
1.5 異構集成4
1.5.1 異構集成與SoC4
1.5.2 異構集成的優(yōu)勢5
1.6 有機基板上的異構集成5
1.6.1 安靠科技公司的車用SiP5
1.6.2 日月光半導體公司在第三代蘋果手表中使用的SiP封裝技術6
1.6.3 思科公司基于有機基板的專用集成電路(ASIC)與
高帶寬內(nèi)存(HBM)7
1.6.4 基于有機基板的英特爾CPU和美光科技混合立體內(nèi)存7
1.7 基于硅基板的異構集成(TSV轉接板)8
1.7.1 萊蒂公司的SoW8
1.7.2 IME公司的SoW9
1.7.3 ITRI的異構集成10
1.7.4 賽靈思/臺積電公司的CoWoS11
1.7.5 雙面帶有芯片的TSV/RDL轉接板11
1.7.6 雙面芯片貼裝的轉接板12
1.7.7 TSV轉接板上的AMD公司GPU和海力士HBM13
1.7.8 TSV轉接板上的英偉達GPU和三星HBM213
1.7.9 IME基于可調(diào)諧并有硅調(diào)幅器的激光源MEMS15
1.7.10 美國加利福尼亞大學圣芭芭拉分校和AMD公司的TSV轉接板上芯片組15
1.8 基于硅基板(橋)的異構集成16
1.8.1 英特爾公司用于異構集成的EMIB16
1.8.2 IMEC用于異構集成的橋18
1.8.3 ITRI用于異構集成的橋18
1.9 用于異構集成的FOW/PLP19
1.9.1 用于異構集成的FOWLP19
1.9.2 用于異構集成的FOPLP 20
1.10 扇出型RDL基板上的異構集成 22
1.10.1 星科金朋公司的扇出型晶圓級封裝22
1.10.2 日月光半導體公司的扇出型封裝(FOCoS)22
1.10.3 聯(lián)發(fā)科公司利用扇出型晶圓級封裝的RDL技術23
1.10.4 三星公司的無硅RDL轉接板24
1.10.5 臺積電公司的InFO_oS技術24
1.11 封裝天線(AiP)和基帶芯片組的異構集成25
1.11.1 臺積電公司利用FOWLP的AiP技術25
1.11.2 AiP和基帶芯片組的異構集成25
1.12 PoP的異構集成26
1.12.1 安靠科技/高通/新光公司的PoP26
1.12.2 蘋果/臺積電公司的PoP26
1.12.3 三星公司用于智能手表的PoP28
1.13 內(nèi)存堆棧的異構集成29
1.13.1 利用引線鍵合的內(nèi)存芯片異構集成29
1.13.2 利用低溫鍵合的內(nèi)存芯片異構集成29
1.14 芯片堆疊的異構集成30
1.14.1 英特爾公司用于iPhone XR的調(diào)制解調(diào)器芯片組30
1.14.2 IME基于TSV的芯片堆疊30
1.14.3 IME無TSV的芯片堆疊31
1.15 CMOS圖像傳感器(CIS)的異構集成32
1.15.1 索尼公司CIS的異構集成32
1.15.2 意法半導體公司CIS的異構集成32
1.16 LED的異構集成33
1.16.1 中國香港科技大學的LED異構集成33
1.16.2 江陰長電先進封裝有限公司的LED異構封裝34
1.17 MEMS的異構集成35
1.17.1 IME的MEMS異構集成35
1.17.2 IMEC的MEMS異構集成35
1.17.3 德國弗勞恩霍夫IZM研究所的MEMS異構集成37
1.17.4 美國帝時華公司的MEMS異構集成37
1.17.5 亞德諾半導體技術有限公司的MEMS異構集成37
1.17.6 IME在ASIC上的MEMS異構集成38
1.17.7 安華高科技公司的MEMS異構集成39
1.18 VCSEL的異構集成40
1.18.1 IME的VCSEL異構集成40
1.18.2 中國香港科技大學的VCSEL異構集成41
1.19 總結和建議42
參考文獻42
第2章 有機基板上的異構集成52
2.1 引言52
2.2 安靠科技公司的汽車SiP52
2.3 日月光半導體公司組裝的Apple Watch Ⅲ(SiP)53
2.4 IBM公司的SLC技術54
2.5 無芯基板54
2.6 布線上凸點(BOL)56
2.7 嵌入式線路基板(ETS)57
2.8 新光公司的具有薄膜層的積層基板59
2.8.1 基板結構59
2.8.2 制作工藝59
2.8.3 質量評價測試62
2.8.4 i-THOP應用示例62
2.9 思科公司的有機轉接板63
2.9.1 轉接板層結構63
2.9.2 制作工藝63
2.10 總結和建議66
參考文獻66
第3章 硅基板上的異構集成(TSV轉接板)70
3.1 引言70
3.2 萊蒂公司的SoW70
3.3 臺積電公司的CoWoS和CoWoS-271
3.4 TSV的制備72
3.5 銅雙大馬士革工藝制備RDL73
3.6 異構集成中的雙面轉接板75
3.6.1 結構75
3.6.2 熱分析邊界條件76
3.6.3 熱分析TSV等效模型77
3.6.4 熱分析焊凸點/下填料等效模型77
3.6.5 熱分析結果77
3.6.6 熱機械分析邊界條件79
3.6.7 熱機械分析材料特性80
3.6.8 熱機械分析結果81
3.6.9 TSV加工83
3.6.10 帶有正面RDL的轉接板加工86
3.6.11 帶有正面RDL銅填充轉接板的TSV露頭86
3.6.12 帶有背面RDL的轉接板加工88
3.6.13 轉接板的無源電學表征89
3.6.14 最終組裝90
3.7 總結和建議93
參考文獻94
第4章 硅基板(橋)上的異構集成96
4.1 引言96
4.2 無TSV轉接板技術:英特爾的EMIB技術96
4.3 EMIB的制造98
4.3.1 利用精細RDL制造硅橋98
4.3.2 利用超精細RDL制造硅橋99
4.4 英特爾EMIB有機基板的制作100
4.5 總體組裝101