先进封装的精密图案化选项不断涌现

芯片行业正在加大对先进封装的投资，因为它努力跟上对增加功能和更高性能的需求，包括可以降低成本和加快上市时间的新型图案化技术。

先进封装技术的成功部分取决于有效管理芯片之间的互连，这需要对基板进行越来越精确的光刻图案化。这些基板需要与小芯片及其互连完美对齐，以实现必要的性能，并且它们需要被设计成能够承受在组装过程中可能导致裂纹和翘曲的机械应力。

“先进封装图案化是一个大问题，因为我们的线间距越来越小，”ASE工程副总裁Calvin Cheung说。“典型的封装基板可能具有25/25µm的RDL线/间距，但先进的节点芯片可能要求低至2/2µm。进行这些连接需要激光直接成像（LDI）等先进技术，以确保精度和对准。”

除了更精细的RDLs，集成多个芯片需要在基板上创建复杂的结构，如硅通孔（TSV）和微凸块。这些对于实现高密度集成和增强性能至关重要，但它们也带来了重大的技术挑战，需要精确的图案化技术。

图案化TSV的过程包括几个步骤，包括深反应离子蚀刻（DRIE）以创建通孔、介电沉积、阻挡金属和用导电材料（通常是铜）填充通孔。每一步都必须精心控制，以防止错位，并确保通孔保持其预期的电气性能。

“TSV是寄生效应最低的互连解决方案的最佳选择，”Amkor韩国公司副总裁兼研究员Brian Hwang说。“然而，挑战在于精确的图案化和对齐，这对于保持信号完整性和降低电阻至关重要。”

微凸点作为堆叠芯片之间的微小连接器，有助于电信号和电力的传输。这些凸点比传统的焊料凸点小得多。它们的尺寸通常在10/10µm到2/2µm之间。尺寸的减小允许更高的互连密度和更小的间距，这对于高密度集成至关重要。但是，微凸起的图案化是一个挑战。它要求尺寸和形状统一，位置精确，并且在后续加工步骤中需要保持凸起的完整性。错位或有缺陷的微凸点会导致信号衰减、电阻增加，甚至导致器件完全失效。

还需要管理在这些设备的制造和操作过程中产生的机械应力。封装中使用的材料之间的热膨胀系数（CTE）差异会导致翘曲，可能导致裂纹或分层。这对于TSV来说尤其成问题，由于其垂直结构和在操作过程中经历的热循环，TSV受到相当大的机械应力。

“当你在一个封装上放置多个芯片时，你会产生机械应力，”ASE的Cheung表示。“这种压力会导致封装翘曲。我们尝试研究不同的材料和不同的封装软件来解决所有这些问题。”

至少其中一部分可以通过更好地模拟封装内的功率来解决。Synopsys功率分析产品产品管理总监William Ruby表示：“虽然有人说摩尔定律开始放缓，但芯片上仍有十亿个晶体管的设备。功率密度巨大。”这导致我们的客户说，我们需要从整体上考虑它——从软件到架构。功率会影响热量，影响可靠性，影响封装和冷却成本。

将这种能量更有效地引导到晶体管上可以减少一些热量，这些热量会导致翘曲。通过更短的距离和更宽的高密度互连（HDI）来回移动信号可以进一步减少热效应。但是，HDI为先进封装中的图案化带来了另一个挑战。创建HDI涉及用细线和微通孔对多层电路进行图案化，为紧凑封装中的电信号提供必要的通路。图案的精度和对齐对于确保高速和高频应用中的信号完整性和性能至关重要。

“在先进封装基板上进行图案化，特别是针对具有不同互连需求的不同节点，可能会导致机械问题和翘曲，”Cheung补充道。“芯片封装接口要求在这些节点上有所不同，因此需要仔细平衡以管理封装上的应力。设计封装以有效地分配这种应力需要设计和封装团队之间的密切合作。

01 i线光刻

I-line步进机利用365nm波长光源，是先进封装的主要光刻工具。它们提供高达1.0µm的高分辨率，叠加精度低于200nm。

最常见的场尺寸为52mm x 68mm，因其能够在单次通过中为面板提供较大的曝光区域而经常使用。这最大限度地减少了拼接，特别适用于需要大型精细图案的应用，如扇出晶圆级封装（FOWLP）和面板级封装（PLP）。另一种常见的字段大小，55mm x 55mm，通常用于需要在相对较大的区域上保持一致图案的工艺。先进的真空吸盘设计和面板进料系统有助于管理基板翘曲，确保即使对于变形严重的基板也能进行有效加工。

“在考虑基板时，关键在于它们不能严重变形，”佳能营销经理道格·谢尔顿 (Doug Shelton) 说道。“对于大型先进的封装，更多的是关于中介层。你将以某种方式堆叠和互连芯片，在基板上创建网格或图案，并将组件组装到其上。相比之下，使用典型扇出晶圆级封装，你首先进行组装，然后添加布线，这更具挑战性，因为芯片可能会移动。”

然而，i-line步进器面临最先进节点的限制，要求分辨率低于1.0µm。正在考虑使用深紫外（248nm）光刻技术，但它在封装领域是一个昂贵的选择。其他技术，如多束无掩模光刻（MBML），正在被探索作为极精细图案化的更具成本效益的替代方案。此外，虽然大的场尺寸最大限度地减少了拼接需求，但对于非常大的面板来说，这仍然是一个问题，可能会引入对齐错误。管理这些错误增加了包装过程的复杂性和成本。

扩展到面板级处理还需要调整或重新设计现有的光刻工具。这包括对光学元件、载物台移动和控制系统进行修改，以保持必要的精度和吞吐量。虽然这种缩放增加了复杂性和成本，但在集成密度和性能方面提供了显著的优势。需要诸如步进扫描系统（扫描仪）等先进技术来管理更大的基板区域，这增加了整体制造成本。缩放也会在掩模对准和曝光方面带来挑战。面板上的掩模错位会导致缺陷。此外，确保在更大的基板上均匀曝光是困难的，并可能导致图案不一致。

02 新材料

为了解决这些图案化挑战，该行业正在探索各种替代材料，这些材料具有更好的热和机械性能，并且在封装基板的不同要求压力下具有更好的支撑性能。液晶聚合物（LCP）是一种这样的材料，它具有低CTE和优异的机械柔性。LCP用于制造基板，使其能够承受多芯片封装制造和操作过程中遇到的热应力和机械应力。

另一种有前景的材料是聚酰亚胺，以其高热稳定性和机械强度而闻名。聚酰亚胺薄膜通常用作半导体封装中的应力缓冲器，有效地吸收由热循环引起的机械应力。这降低了翘曲的可能性，并提高了器件的整体可靠性。此外，聚酰亚胺在先进封装中用作介电层，为细间距互连提供电绝缘，同时保持机械完整性。

玻璃基板是一种较新的潜在解决方案，正在探索用于先进封装。玻璃的CTE较低，与硅的CTE非常接近，使其成为降低热应力的理想材料。在2.5D和3D封装中使用玻璃中介层提供了一个稳定的平台，最大限度地减少了翘曲和机械故障。玻璃还具有优异的电绝缘性能，这对于保持高密度互连中的信号完整性至关重要。

Promex Industries的首席执行官迪克·奥特说：“玻璃有很多很好的特性。你可以得到很好的CTE。它在生物学上与许多东西兼容。现在TSV的金属化系统正在发展。还有像Mosaic Microsystems这样的公司，他们正在玻璃上建造非常薄的东西——100微米——作为标准基板。它仍然不是主流，但它正在到来。”

除了这些材料，该行业还在研究结合不同物质益处的先进复合材料和混合材料。例如，铜聚酰亚胺层压板提供了铜的导电性和聚酰亚胺的机械灵活性。

03 PLP和FOWLP

面板级封装（PLP）和扇出晶片级封装（FOWLP）从新材料和创新的图案化技术中受益匪浅。特别是，与传统的晶圆级工艺相比，PLP涉及更大的基板尺寸。

FOWLP通过在更大的面积上重新分布I/O焊盘，提供了增强的电气性能和热管理。然而，由于需要在非硅基板上进行细线和空间图案化，FOWLP在光刻方面也面临着挑战。在这些基板上实现高分辨率图案需要使用先进的光刻技术，如激光直接成像（LDI）。

“先进的封装有助于在系统层面解决许多问题，而不是试图将所有东西集成到单片芯片中，”HJL lithography的主要光刻师Harry Levinson说。“例如，虽然逻辑电路可以很好地缩小，但存储器和I/O设备通常不能很好地扩展。通过在封装级别重新组装设计，我们可以使光刻工艺更具成本效益，避免在更简单的方法就足够的情况下使用昂贵的技术。”

04 创新解决方案

针对先进封装图案化中的众多挑战，提出了突破传统光刻技术界限的创新解决方案。可编程掩模、直接写入和多束电子束光刻等新兴技术被证明是传统方法的可行替代品，提供了更高的灵活性、精度和效率。例如，一家加拿大初创公司开发了可编程掩模技术，以降低生产用于先进封装图案化的单个掩模的高成本和长交付周期。

Digitho Technologies首席执行官Richard Beaudry解释说：“这些像素是使用MEMS技术控制的，特别是可变法布里-珀罗干涉仪，它通过改变两层之间的高度来调节光传输。”。“掩模可以针对每次曝光进行动态调整，从而可以为芯片识别和序列化创建独特的图案和二维码。”

▲可编程掩模原型。来源：Digitho Technologies

其他技术完全放弃了掩模。LDI通过使用聚焦激光将所需图案直接写入涂有光致抗蚀剂的表面，实现了在非硅基板上的精确图案化。LDI提供了高分辨率和灵活性，允许创建FOWLP中所需的复杂图案。然而，LDI仍然是一种曝光工艺，需要优化以处理更大的基板尺寸，并确保整个面板的均匀曝光。

无掩模曝光光刻是一种无需掩模即可创建高分辨率图案的替代方法。该系统使用聚焦光束直接对基板进行图案化，在灵活性和分辨率方面具有显著优势。直写系统对于需要频繁设计更改或高定制水平的应用特别有价值，尽管与传统光刻相比吞吐量较慢。

解决直写图案化吞吐量缓慢的一种方法是捆绑多个并行运行的微型电子束，这些电子束能够在单次通过中暴露出宽场。多列电子束光刻（MEBL）在速度和灵活性方面比传统的直写和i线光刻方法具有一些优势。虽然制作光学掩模可能需要数周时间，但MEBL可以在数小时内完成设计，从而降低成本并加快上市时间。

“多光束光刻为先进封装中的图案化提供了一种补充解决方案，”Multibeam首席执行官David Lam说。“在需要速度和灵活性的快速原型制作和高混合生产环境中，它尤其有价值。”

直接编写复杂图案而不需要掩模的能力不仅节省了时间，而且提供了更大的设计自由度。这在需要高密度互连和复杂图案的高级封装中至关重要。通过消除掩模创建过程，MEBL系统缩短了交付周期和运营成本，从而能够更快地适应设计变更。这使其成为FOWLP或PLP等应用的理想解决方案，在这些应用中，精度和灵活性至关重要。该系统的高通量和精度显著提高了先进封装工艺的效率，促进了半导体制造业的更快迭代和创新。

结合这些技术为未来的进步提供了有希望的途径。例如，将可编程掩模与直接写入功能相结合，可以在保持所需精度的同时提高吞吐量。

“这些新技术可能对包装非常有益，”Levinson说。“直接写入是包装的理想选择，原因有很多，但目前的系统速度很慢。将可编程掩模与直接写入功能相结合可以提高吞吐量并提供所需的精度。混合方法对于先进的封装应用可能非常有效。”

总之，光刻技术的这些进步代表了克服先进封装图案化现有局限性的共同努力，确保该行业能够继续创新，满足下一代半导体器件的需求。半导体封装中高密度互连技术的进步和扩散需要创新和可靠的图案化方法。通过整合尖端材料、精密计量和检测技术，以及直写、可编程掩模和多光束光刻等创新的光刻解决方案，该行业正在为下一代电子设备铺平道路。

05 结论

随着半导体技术的不断发展，对先进封装创新解决方案的需求变得越来越重要。可编程掩模、激光直接成像和无掩模光刻等技术正在突破传统光刻的界限，同时提供下一代器件所需的灵活性、精度和效率。这些进步使该行业能够满足对高密度互连、性能改进和成本效益制造日益增长的需求。

这些多样化的光刻技术，以及复杂的材料和计量方法的协同整合，突显了半导体行业对创新的承诺。通过解决与热管理、机械应力和信号完整性相关的挑战，这些技术有助于推进先进封装的图案化技术。