半导体封装材料革命：从硅基到多元破局

2025-04-19

电子爱好者网报道(文章 / 当晶体管微缩逐渐接近物理极限时，半导体行业的创新重心正悄然从芯片内部转移到芯片外部。具有芯片特性 “二战场”，封装材料领域正经历着从依赖硅基材料到多元材料体系重构的深刻变化。有机中介打破了硅中介长期以来的垄断局面，玻璃基板以跨界的姿态改变了传统，而复合系统材料在性能和成本之间找到了微妙的平衡。这一创新不仅重塑了封装技术路线，而且重新定义了芯片的物理形态。

例如硅中介层，它曾经是硅中介层， 2.5D 借助硅通孔，封装的核心（TSV）实现芯片间技术互联。然而，随着 AI 芯片集成密度突破 10000 I/O/mm ²，硅中介层的两大缺陷日益突出。第一，热失配问题严重。硅的热膨胀系数（CTE）为 2.6ppm/ 与有机基板相结合的℃ 15 - 20ppm/ ℃相差甚远，造成这种情况 12 可以达到英尺晶圆边缘翘曲 50 μ m，对于信号完整性有很大的不利影响。第二，成本高。TSV 过程需要经过 10 余道工序复杂，单晶圆成本超过 2 万美金。如果芯片堆叠层数超过 10 层压时，包装成本占比突破 40%，成为大规模应用的一大障碍。英伟达 H100 的 6 颗 GPU 芯片堆叠已经接近硅中介工程的极限，材料的替代刻不容缓。

而以台积电 CoWoS - R 以技术为代表的有机中介正在借助 ABF 薄膜材料完成了硅基的突破。ABF 薄膜的 CTE 符合基板(12ppm// )，促使封装翘曲率降至最低。 32 μ m（减幅达其介电常数为60%) 3.5(只有硅的 1/3），在 28GHz 信号消耗在频率下减少能很好地满足40%的要求 HBM 需要高速互联。并且，这种技术不需要 TSV 工艺，通过 2 μ m 线距的重分布层（RDL）直接构建互联网，降低单晶圆成本 40%，推动 CoWoS 技术在 7nm 下列工艺芯片的渗透率超过 60%。三星将更加进一步 ABF 薄膜 RDL 层数从 8 层增加到 12 层，在 15mm × 15mm 封装内可以互连 2000 与硅中介层相比，颗粒的集成密度提高了。 3 倍，变成 Chiplet 经济集成的关键因素。

进入 2025 2000年，JD.COM开始投产玻璃基板试验线，在半导体领域上演了显示材料的反击。这类玻璃基板材料的介电常数是 4.0、tan δ = 0.002，在 60GHz 减少毫米波频段损失平面度偏差低于50% 1 μ m，支持 1.5 μ m 线距(硅片极限为 3 μ m），变成 5G 理想的芯片媒介。与此同时，它也能忍受 400 温度高，支持 120mm × 120mm 超大尺寸封装(硅中介层仅为 80mm × 80mm）。在这种玻璃基板的帮助下，诺视科技完成了 Micro LED 芯片在 50 热点温度在万尼特亮度下。≤ 85 ℃，提高热管理效率 3 倍。通过激光改性技术，英特尔将玻璃埋孔（TGV）密度提升至 TSV 的 5 倍（10 万只 /cm ²），达到铜添加良率 95%，为 HBM4 的 1024 位宽接口为基础奠定了基础。

但是，单一材料通常很难应对复杂的需求，比如混合集成正成为一个新的发展方向， "有机 - 硅" 协同。云天半导体复合转接板，底层 ABF 薄膜用于吸收热应力，上层硅桥负责传输高频信号， 2700mm ² 实现了面积 1.5 μ m 线距，经实测，12nm。 AI 提高了芯片的稳定性 25%。信越化学低介电玻璃浆体（DK = 3.2)，用墨水印刷代替溅射工艺，RDL 成本下降良率达到30% 98%，大大提高了中小型芯片封装的性价比。这类材料组合不仅保留了硅的高频优势，而且通过有机的方式 / FRP解决了热匹配和成本问题，成为企业差异化竞争的核心因素。

材料革命当然离不开整个产业链的协同。在系统端，ASML High - NA EUV 增加了玻璃基板曝光模式，减少了掩模版的使用量。单晶圆曝光时间缩短到40% 20 分钟。就工艺而言，Lam Research 改善了 PECVD 气体配方，提高玻璃基板绝缘层的沉积速率 50%的缺陷密度降至50% 0.1 个 /cm ²。台积电在标准制定方面推动有机发展。 / 标准化玻璃基板接口，支持 0.8 μ m 铜 - 玻璃键合；中国发布的 "芯粒互连协议 2.0 " 玻璃基板信号完整性规范的定义，有助于构建国产生态。

值得注意的是，尽管前景非常光明，但是仍然存在一些瓶颈。例如，玻璃基板存在脆性问题，120毫米 × 120mm 只有规格的切割良率 65%。然而，康宁正在开发掺锆玻璃，目的是将冲击韧性提高到更高的水平。 1.2MPa・m ¹ / ²，接近硅片的水平。与此同时，在有机材料的耐热性方面， ABF 这部电影就是一个例子 260 在功率芯片应用领域，℃时会发生分解。但是陶氏化学的聚酰亚胺改性材料已经达到了耐温性 350 ℃，预计在 2026 实现年度量产。另外，在复合页面的可靠性方面，在湿热环境下，“有机” - 硅" 界面分层率在 1000 小时内可达 18%，IMEC 正在开发纳米晶键合技术，以提高稳定性。

总结

封装材料的变化本质上反映了半导体行业创新逻辑的变化，从硅中介层的独特性到有机、玻璃和复合材料的多样性共存。随着晶体管微缩进程放缓，材料成为继续摩尔定律的新动力。有机器中介层让步 Chiplet 整合更加经济，玻璃基板为高频和超大尺寸封装开辟了新的途径，复合材料在细分应用领域取得了突破。或许，半导体产业的下一次飞跃，就藏在这些看似普通的薄膜和基板里。

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