加速替代硅中介层

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人们越来越多地致力于消除对中介层（中间基板）的需求（这对于先进封装中的 2.5D 封装至关重要），并使用新材料。随着封装变得越来越大，使用盘形晶圆的硅 (Si) 中介层开始面临成本高昂的问题。Si 的潜在替代品是由有机材料和玻璃芯基板制成的再分布层 (RDL)。该公司的目标是利用硅中介层的高生产率来取代硅中介层，从而允许使用大型面板进行制造。

“我们预测，到 2027 年，中介层的尺寸将相当于 8 掩模版（约 81 毫米见方）。” Yasumitsu Orii 是 Rapidus 的高级常务执行官兼 3D 组装总部负责人，该公司旨在在日本制造尖端半导体，负责后端工艺。1个十字线是指一次可以曝光的尺寸（26mm x 33mm）。最新硅中介层的尺寸约为59平方毫米，因此面积将增加近两倍。“当我们第一次开始考虑时，周围的人告诉我们 8 十字线是不可能的。然而，今年，具体的讨论已经开始出现，”他继续说道。

硅中介层很可能无法应对这种更大尺寸的趋势。简单地从面积计算，300mm的晶圆只能生产约10个8掩模版尺寸的中介层。由于晶圆是圆形的，因此可以去除的矩形中介层的数量更少，估计在七个左右。很难以低成本生产。

在面板上生产 RDL

因此，可以使用面板生产的中介层受到关注。通过使用方形和大面板，您可以增加部件数量，而不会浪费面积。2024年4月，Lapidus宣布打算使用600毫米方形面板来制造中介层。

目前，使用面板制造的中介层有两种主要选择：有机材料和玻璃。Lapidus 选择了一种使用有机材料的类型，称为 RDL 中介层。RDL是由铜(Cu)和绝缘层构成的布线层。

RDL 本身并不是一项新技术；它也被用于 FOWLP（扇出晶圆级封装），苹果在 iPhone 7 的 A10 应用处理器中采用了这种技术。对于通过封装基板连接到外部端子的传统半导体芯片，FOWLP 使用半导体工艺创建重新布线层，将布线从芯片端子而不是封装基板引出。这是一种后处理技术，可实现连接到RDL 内插器不仅使用 RDL 将芯片连接到外部端子，还用于连接安装在同一封装内的芯片（小芯片）。

RDL 中介层本身已由台湾积体电路制造公司 (TSMC) 以“CoWoS-R”名称提供，并由韩国三星电子 (Samsung Electronics) 以“R-Cube”名称提供。利用当前技术，制造晶圆尺寸的 RDL 并不困难。然而，对于300平方毫米或更大的大型面板，在多层RDL时出现的翘曲成为一个问题。

尽管存在与小型化相关的问题，

技术发展仍在进步

RDL 中介层的另一个问题是布线宽度。有机材料不具有与Si相同水平的平坦度，因此布线宽度变得更厚。目前，最新RDL的线距(L/S)约为2μm。另一方面，Si中介层允许布线宽度为1μm或更小。

然而，研究和开发正在取得进展。后处理材料领域的全球领导者 Resonac 制定了技术路线图，目标是在 2024 年实现 1.2 µm 或更小的多层 L/S，并从 2025 年起实现 1 µm 或更小的目标。设备制造商也在将设备引入市场时考虑到这些应用。这包括主要处理前端工艺的设备制造商，例如佳能和 SCREEN Holdings。

英特尔和SK计划采用的玻璃基板

另一种有前景的硅中介层替代品是玻璃芯基板，它使用玻璃代替有机材料作为封装基板的核心材料。美国英特尔公司和HBM（高带宽内存）领域的全球领导者韩国SK海力士公司的目标是将其商业化。特别是，英特尔宣布了从2020年代末开始大规模生产玻璃芯基板的政策。该公司正投资超过10亿美元（约1600亿日元）在美国亚利桑那州建设研发线。

SK集团内负责开发玻璃芯基板的公司是该集团化学品制造商SKC的子公司Absolics。美国主要前端设备制造商应用材料公司也对该公司进行了投资。该公司已在美国佐治亚州建成玻璃芯基板生产线，计划于2024年开始量产。加上前期投资，预计投资6亿美元（约1000亿日元）。

工业创新投资公司（JIC）、大日本印刷和三井化学于2023年12月宣布收购富士通子公司新光电气工业，也是与玻璃芯基板相关的举措之一。DNP的一位高管表示：“从2028年左右开始，玻璃芯基板有可能被使用（用于半导体的大规模生产），比我们预期的要早。通过与能够充分利用我们的玻璃芯基板的基板制造商合作我们希望将这项技术投入实际应用。”他在解释为何决定参与此次收购时说道。

无需中介层

玻璃芯基板的优点在于，除了能够在面板中制造之外，它还可以消除对中介层的需要。集成封装基板和中介层以进行 2D 安装。

首先，玻璃芯基板比有机基板更平坦，因此可以实现更精细的布线。它具有高刚性，即使面板尺寸增大也不易翘曲。此外，玻璃的热膨胀系数（CTE）可以通过添加添加剂自由控制。封装基板和硅芯片之间的连接需要向尖端进行更精细的布线。这是使用硅中介层的动机之一，但通过使用 CTE 调整到接近硅的玻璃，甚至可以在封装基板上连接小芯片。

此外，由于玻璃具有高绝缘特性，因此互连之间的寄生电容可以小于Si的寄生电容。换句话说，信号损失比Si小。因此，在处理高频时它比硅内插器更具优势。

制造和可靠性挑战

问题是玻璃中出现一种称为“背裂”的现象。玻璃芯基板具有堆叠许多积层的结构，其中布线层和绝缘层堆叠在玻璃芯层的上方和下方。当堆积层增加时，应力会施加到玻璃芯上，导致玻璃破裂。该现象使得难以增加玻璃基板上的配线层的数量。

这种现象的麻烦之处在于，它在制作布线等过程中不是问题，但在将部件分离成单独的片的切割过程中会发生。如果在将半导体芯片安装在玻璃芯基板上之后在切割过程中发生破裂，则会浪费昂贵的芯片。因此，需要优化切割条件和对玻璃端面进行涂层等措施来防止结块。例如，生产半导体封装和基板的FICT（长野市，前身为富士通互连技术公司）通过将玻璃芯层多层化以分散应力，解决了这个问题。

此外，索尼集团旗下的半导体子公司索尼半导体解决方案（SSS）将在该领域的国际会议2024年国际电子封装会议（ICEP2024）上讨论不仅在切割过程中出现的下垂问题据报道，2024 年 4 月举行的半导体封装大会。如果暴露于剧烈的温度变化超过一定次数，玻璃芯基板就会破裂。

从破裂现象可以看出，玻璃具有只要受到轻微划伤就会立即破碎的特性。另一方面，即使树脂出现小划痕，也不太可能立即引起问题。从这个角度来看，玻璃芯基板仍然存在可靠性问题。

事实上，玻璃芯基板在 2010 年代初就得到了积极的研究和开发，目的是取代硅中介层。然而，由于结块问题无法解决，硅中介层的尺寸成为可能，并且通过利用已折旧的生产线来降低成本，因此开发速度减慢。“一个重要因素是最终用户，例如无晶圆厂半导体制造商，不愿意这样做，”一家电路板制造商的研究人员表示。

然而，最近情况发生了巨大变化。相反，英特尔和SK集团等最终用户正在积极投资。此外，玻璃芯基板可以并入光波导等，因此它们与光电融合兼容。玻璃芯基板很有可能在未来得到广泛应用。

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02874/062400004/

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