3D封裝遲遲不來(lái)，玻璃內(nèi)插器技術(shù)來(lái)解圍？

IEDM 2014會(huì)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(gè)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(lái)內(nèi)插器是作為層疊平臺(tái)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(wú)源器件嵌入進(jìn)來(lái)從而降低整體封裝尺寸。像電容、電阻、電感這樣的無(wú)源器件會(huì)占據(jù)超過(guò)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(huì)讓集成整合更加高效。這張幻燈片讓我想到在一個(gè)內(nèi)插器中集成無(wú)源器件（IPD）及其成本評(píng)估。我很想知道，是否會(huì)有芯片制造商染指這個(gè)領(lǐng)域。

我發(fā)現(xiàn)，2014年的IEDM大會(huì)上有一篇來(lái)自臺(tái)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(shí)現(xiàn)的一種MIM電容。硅內(nèi)插器具有從頂部和底部?jī)蓚?cè)連接到外部器件的能力。在最頂部金屬層的上面，有一個(gè)重分布的層連接到一個(gè)u型凸點(diǎn)上，有助于和處理器管芯的連接。而在基片的底部，一個(gè)硅通孔連接到一個(gè)C4凸塊焊盤(pán)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(wú)源器件的最尖端的案例。

接下來(lái)我又搜索了關(guān)于在玻璃襯底上嵌入無(wú)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?yàn)椴ＡЭ梢栽诳缍群艽蟮墓ぷ黝l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(wú)源器件，并在若干個(gè)會(huì)議中展示了他們的研究成果。大多數(shù)情況下，會(huì)在玻璃襯底上沉積一層有機(jī)體，然后在這個(gè)有機(jī)層上生產(chǎn)無(wú)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(wú)源器件。

不過(guò)，可能是因?yàn)槲宜阉鞯馁Y料有限，我并沒(méi)有找到在一個(gè)內(nèi)插器上實(shí)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(shí)際上是一種2.5D的集成方案，對(duì)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(gè)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(zhuān)業(yè)知識(shí)。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(shí)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(duì)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(mǎn)了挑戰(zhàn)。然而，玻璃也并非一無(wú)是處，它也存在一些優(yōu)勢(shì)屬性：它可以做到900毫米x900毫米，這樣一來(lái)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(gè)量級(jí)，從而降低了這些玻璃基板的整體價(jià)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(lèi)的無(wú)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(diǎn)。

基于研究和會(huì)議記錄，很顯然，半導(dǎo)體行業(yè)將使用嵌入無(wú)源器件的內(nèi)插器以實(shí)現(xiàn)小型化和增加功能。這個(gè)進(jìn)程可能會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)良率、測(cè)試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及可靠性等問(wèn)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(gè)實(shí)現(xiàn)了無(wú)源器件的內(nèi)插器，可能會(huì)帶來(lái)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(shí)的，所以嵌入式無(wú)源器件具有很高的良率至關(guān)重要。我們知道在系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）中嵌入無(wú)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(dòng)，所以，很可能，我們不用等太久就可以看到在內(nèi)插器中實(shí)現(xiàn)IPD的商業(yè)產(chǎn)品成為主流。

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