三维集成电子封装中TGV技术及其器件应用进展

摘要: 在三维(3D)集成电路中,层间电路封装及其互联互通主要依赖于垂直通孔结构,这是其突破传统二维集成电路布局的核心与关键。近年来,玻璃通孔(TGV)技术由于具备低成本、高性能、易于加工和应用前景广阔等优点,日益引起了科研人员和电子厂商们的关注与重视。首先综述了TGV技术的性能优势、工艺特点、制备方法及关键技术。在此基础上,总结了TGV技术在三维集成无源器件(IPD)、集成天线封装、微机电系统(MEMS)封装以及多芯片模块封装等多个三维集成电子封装领域中的应用进展。基于此,进一步展望了TGV技术在未来三维集成电子封装中的发展方向与应用前景。 摩尔定律认为芯片的集成度约每隔18个月翻一倍,其性能也会随之提升一倍[1-3]。然而,当半导体制程技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限时,摩尔定律发展陷入瓶颈,经济效益急剧降低,行业由此正式进入了“后摩尔时代”[4-6]。在后摩尔时代,制程采用更为先进的三维封装集成技术,利用垂直通孔结构将多个芯片进行纵向堆叠(图1),使芯片集成度成倍提高、电气互联距离和封装尺寸大幅度缩减,同时集成电路的功能多样化也得到提升[7-8]。 在三维集成电路中,垂直通孔结构是实现芯片或器件之间电气垂直互联的关键通道。目前硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)和玻璃通孔(ThroughGlassVia,TGV)是常用的两种通孔互联方式。TSV结构如图2(a)所示,它使芯片在三维方向上获得了最大的堆叠密度、最短的电气互联距离、最小的外形尺寸,能够显著提高芯片运行速度,降低功耗[9-11]。然而,TSV的制造过程涉及复杂的硅刻蚀技术,并需额外沉积绝缘层,导致其成本居高不下。此外,由于硅本身是半导体材料,电信号在传输过程中会与硅衬底产生较强的电磁耦合效应,将会影响信号完整度(插损、串扰等)。 TGV技术堪称TSV技术最具前景的替代方案。该技术通过在玻璃晶圆上加工出精密的微米级通孔或盲孔,随后在这些孔洞中填充导电材料,从而建立起芯片间或晶圆间的垂直电气连接,如图2(b)[12-13]。TGV的优势主要体现在:(1)玻璃材料作为绝缘体,其相对介电常数大约为3.8,远低于硅材料的11.7。此外,玻璃的损耗因子(0.0002@100MHz和0.00006@3GHz)显著低于硅材料(0.005@1GHz和0.015@10GHz),两者相差2到3个数量级。因此,玻璃基板的衬底损耗和寄生效应极小,有助于保持信号传输的完整性和可靠性。(2)玻璃材料能够以大尺寸(超过2m×2m)和极薄厚度(小于50μm)的形式获取,并且由于玻璃的绝缘性良好,省去了在衬底表面及通孔内壁沉积绝缘层的步骤,不仅减少了TGV制作工艺的复杂性,还大幅降低了制作成本。(3)TGV技术的应用范围非常广泛,它在射频芯片、高端微电子机械系统(MEMS)传感器、高密度系统集成等领域均显示出独特的优势。特别是对于下一代5G、6G等高频通信技术的芯片3D封装,TGV技术已成为首选方案之一[14-16]。 TGV技术凭借其独特优势,近年来已吸引了包括英特尔、三星、英伟达、苹果和台积电等芯片大厂的广泛关注。从英特尔率先推出的玻璃封装,到目前各大厂商纷纷布局的TGV技术,采用玻璃基板替代传统的有机基板已成为行业内的共识。然而,尽管TGV技术展现出巨大的市场潜力和技术前景,但其在三维封装领域仍属于新兴技术,整体商业化进程尚处在初级阶段,市场渗透率较低[17-19]。此外,TGV技术在工艺制程方面也面临着多重挑战。其中,最为严峻的挑战在于TGV的成孔和填孔工艺。在玻璃上打孔并填充导电材料是一个复杂且精细的过程,需要精确的激光打孔和化学蚀刻。同时,确保玻璃孔的均匀性和精确性对于保障信号传输的质量和可靠性至关重要[20-21]。 为了揭示TGV技术的工艺特性、所面临的挑战、应用潜力及发展前景,本文不仅系统梳理了TGV技术的工艺特点、制备方法及关键技术,还深入分析了该技术的当前发展状态和未来可能的发展趋势,旨在为电子封装领域的产业发展提供重要的决策参考。同时,本文还对TGV技术在不同应用领域的发展前景进行了展望,以期为电子封装领域的从业者和研发人员提供新的方向、思路和灵感,共同推动新一代电子封装产业与技术的快速创新和蓬勃发展。 1TGV工艺及通孔方法 TGV成孔技术是通孔互联技术中的关键环节,需要满足高精度、低成本、快速无损、且高成孔质量(通孔尺寸小、通孔间间距窄、侧壁光滑、垂直度好)等要求。目前,TGV成孔方法主要有以下几种:喷砂法[22-23]、激光烧蚀法[24-26]、聚焦放电法[27]、电化学放电法[28-30]、等离子体刻蚀法[31-32]、光敏玻璃法[33-35]和激光诱导刻蚀法[36-41]。各方面优缺点如表1所示。其中,喷砂法和电化学放电法的通孔孔径和孔间距较大;激光烧蚀法和聚焦放电法制备的通孔存在锥度且批量成孔效率低;光敏玻璃法适用范围有限,工艺复杂且成本高;等离子体刻蚀同样工艺复杂且刻蚀效率较低。 激光诱导刻蚀法是一种基于激光技术和化学刻蚀发展起来的新型玻璃通孔技术。该方法制备TGV通孔分为两步(如图3所示):一是激光改性,即先使用激光在玻璃中形成改性区域;二是蚀刻通孔,即采用化学腐蚀剂如氢氟酸对改性区域进行选择性刻蚀,从而形成玻璃通孔。该方法既克服了激光烧蚀刻蚀速度慢、存在裂纹的缺点,也解决了化学刻蚀方法难以定性刻蚀的问题。该方法具有玻璃通孔质量高(高深宽比、高密度、均匀一致且无裂纹)、玻璃通孔形貌可调(通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌)、成孔速率快(可达到290TGV/s)等优点,目前已经成为制备玻璃通孔的主流方法。 在激光诱导刻蚀法制备TGV方面,江西沃格光电股份有限公司具有显著优势[36-37],目前制备的TGV最小孔径可至10μm,深宽比可达10∶1,并且孔壁光滑规整。此外,成都迈科科技有限公司也采用激光诱导刻蚀法制备TGV,制备出的玻璃通孔具有孔径小(≤50μm的圆孔)、通孔密度高(2500个/cm2)、锥度小、通孔内壁光滑且成孔效率高等特点[38]。 TGV孔填充技术是TGV垂直互联的核心环节,通过在孔径中填充高质量金属材料实现上下表面的电信号传输。然而,由于玻璃表面平滑,与常用的填充金属材料(如铜)的黏附性较差,容易导致金属与玻璃衬底之间产生分层甚至脱落等问题。为了增强填充金属材料与玻璃基底间的结合力,通常采用两步法进行通孔的金属化填充:首先,在玻璃通孔内进行种子层沉积,种子层可以起到提供导电性、增加填充效率和改善结合力的作用,为后续的TGV填充过程做准备;然后,采用电镀的方法对经过金属化处理后的通孔进行增厚,来实现金属材料的充分填充,从而与玻璃基底牢固结合。 种子层的沉积可以通过物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,PVD)[42-43]、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)[44]、原子层沉积(AtomicLayerDeposition,ALD)[45]或化学镀[46-48]等方法来实现,各方法的优缺点如表2所示。其中,CVD方法设备成熟,制备的薄膜均匀性好,台阶覆盖好。ALD方法同样存在薄膜厚度可控、台阶覆盖良好的优点。但这两种方法也存在明显缺点:如CVD方法一般工艺温度较高;ALD方法技术相对不成熟;且CVD和ALD方法均不适合进行大规模生产。相比之下,PVD和化学镀的方法设备成熟、操作简单,更适合大面积规模化生产,因此被广泛用于TGV金属化填充过程中的种子层沉积。 电镀过程中,电流和化学助剂等参数会产生影响,可能导致通孔内部出现填充不完整的现象,甚至出现金属呈V形、通孔中心大部分未被填充的情况。研究表明,利用脉冲电镀代替直流电镀,可以显著提高电镀填充的速率,并减少填充缺陷(如孔洞或缝隙)的产生[49]。另外,采用超声波搅拌辅助的通孔电镀工艺也被用于解决金属填充过程中通孔内存在孔隙或填充不满的问题[50]。同样,以双阳极取代单阳极板的通孔电镀工艺也可解决金属填充过程中通孔填充不满的问题[42]。此外,采用适宜的电镀铜溶液及电镀方法,可以使铜在通孔内部中间部位预先相连填满,再向两面孔口逐渐同步填充,最终形成高效密封导通的铜材料,实现通孔无孔隙的金属化制作[51]。 2三维电子封装中TGV技术的器件应用进展 TGV基板因具有优异的电学特性、化学稳定性和机械稳定性等优势,在多个电子封装领域得到了广泛的关注。下面主要从TGV及相关技术在三维集成无源器件(IntegratedPassiveDevice,IPD)、集成天线封装、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)封装以及多芯片模块封装等领域的应用方面进行概述。 2.1三维集成无源器件 TGV技术可以用于制造三维集成无源器件的封装载板。通过使用TGV技术,可以实现芯片之间的互联和互通,提高芯片的集成度和性能。同时,TGV技术还可以实现芯片之间的最小间距和最小线宽,满足无源器件对高密度集成和精细制造的需求。2010年,乔治亚理工的Sridharan等率先采用TGV互联技术制备了具有高Q值的三维螺旋电感,应用在IPD中完成滤波器的封装制作,并表现出优异的电学性能:5GHz滤波器的插入损耗小于1dB,回波损耗优于20dB[52]。日月光集团(ASEgroup)的研究人员也将TGV广泛用于三维集成无源器件。2016年,Hsieh等采用TGV玻璃制备了高性能IPD电感器,制备流程如图4(a)所示。该三维TGV电感器在900MHz时的Q值为60,在2.4GHz时的Q值为75,大大优于二维螺旋电感器,有助于提高射频有限元在无线通信系统中的性能[53];2017年,Chen等基于TGV技术在玻璃基板上实现了面板级(408mm×512mm的长方形玻璃)的IPD制作工艺。如图4(b)所示,该工艺可将面板翘曲控制在1mm以内,且未出现明显的结构剥离/分层现象,显著降低了IPD的制作成本[54]。厦门云天半导体也成功将TGV技术应用于IPD领域:2023年,宗蕾等发明了一种集成射频前端模组的封装结构及封装方法。其中,封装方法同时集成了TGV玻璃和硅片的优势,即采用含TGV通孔的玻璃和硅片晶圆键合后形成承载晶圆。这种方法不仅可以有效减少晶圆级封装过程中的翘曲问题,提高封装良率,还可以通过硅片增强整体模块的散热性能。另外,通过多层重布线工艺,即钝化层和金属线路层多层叠加的方式,实现了多颗芯片的信号互联并可高度集成薄膜IPD器件,可用于替代射频前端模块板级封装中所使用的基板[55]。 2.2集成天线 玻璃转接板集成定向TGV天线通过在3D堆叠芯片之间实现高效的芯片内/芯片间无线通信,减少了引线键合导致的时间延迟,在三维系统级封装(SiP)下可实现低功耗、低时延的高速无线通信。2018年,美国佛罗里达大学的Hwangbo等在玻璃基板上通过成孔、溅射镀膜和光刻等工艺,设计了一种紧凑、高效的盘式单极TGV集成天线,并将其用于三维系统级封装,实现了低延时的毫米波无线信号在芯片到芯片(C2C)间的高速传输。如图5(a)所示,其特点是在玻璃基板表面的单极顶端设计圆盘形金属板进行阻抗匹配,增大天线的电流和辐射电阻,使天线辐射出更大的功率。另外,圆盘形金属板所构成的盘式单极天线减小了单极子天线在垂直方向的高度,从而可以匹配很薄的TGV玻璃,同时保持主单极子天线的全向辐射以及良好的天线增益与衬底损耗。模拟结果表明:天线在62GHz时的辐射效率达到94%,峰值增益为3.2dBi[56]。2019年,韩国首尔中央大学的Naqvi等采用新型硅填充玻璃通孔(ThroughGlassSiliconVia,TGSV)技术在玻璃基板上设计了一种具有端射辐射的V波段平面微机械螺旋天线,如图5(b)。为了达到沿螺旋轴的最大辐射,螺旋设置为3.25转。玻璃基板的背面是U形金属接地层,有助于增加在端射方向的增益。在金属接地层中间引入凹槽以实现V波段的宽带阻抗匹配。上下螺旋臂之间依靠TGSV实现电气互联。TGSVs的直径与螺旋臂的宽度一致。玻璃通孔侧壁溅射生长钨,并将硅柱包覆在内。模拟和测量结果表明:平面微机械螺旋天线的阻抗带宽为50.3~65GHz(<-10dB);天线在58GHz频段的峰值增益为6.3dBi,辐射效率为63%[57]。 2.3微机电系统封装 TGV技术在MEMS封装中也有广泛的应用。2012年,中国科学院微电子研究所的Sun等开发了一种低成本的TGV制备方法,并将其应用于射频微机电系统。首先,采用CO2激光和绿色皮秒激光对玻璃进行打孔,孔径约为100μm。然后,将聚合物(光刻胶、SU8、环氧树脂)填充TGV通孔,再将50μm的钨针插入孔中。最后,将样品加热并放入真空罐中,等待聚合物固化。在此结构中,射频输入、射频输出和偏置线均通过钨孔,可以缩短射频互联的长度,提高响应速度[58]。2013年,韩国檀国大学的Lee等采用电镀的方法实现了TGV的完全填充,并成功将其用于晶圆级射频MEMS封装(图6)。封装后的射频MEMS结构呈现出优异的电学性能:在40GHz频段内具有稳定可靠的射频性能;在20GHz时,表现出低的插入损耗(0.197dB)和高的返回损耗(20.032dB)[59]。 2022年,北京智能芯片微电子技术有限公司的Fu等提出了一种采用TGV工艺制造高性能MEMS加速计的方法,既能降低制造成本,又能保证器件的低噪声特性。其中,TGV工艺依靠激光钻孔,孔内金属填充基于铸造模具和CMP,封装则采用三层阳极键合工艺。此外,在制备MEMS器件时,还首次引入了铸造模具工艺。在结构设计方面,塞子采用分布式梳状电极进行过载位移抑制,封装方法释放的气体具有良好的机械阻尼特性。所制备的加速度计抗过载能力达10000g,噪声密度小于0.001(°)/Hz12,并且具有超高的倾斜测量性能[60]。 2.4多芯片模块封装 TGV技术在多芯片模块封装中也有广泛应用。2018年,日本富士通公司的Iwai等基于TGV技术开发了一种多层玻璃板堆叠工艺,它使用导电膏作为通孔填充材料,通过叠层和热压合实现多层玻璃基板的堆叠。回流测试结果表明:玻璃基板的翘曲率明显低于有机基板。该工艺利用多层玻璃基板热膨胀系数与硅相近的特性,解决了2.5D封装技术中存在的硅与有机基板热膨胀系数不匹配问题[61]。2019年,Iwai等基于多层玻璃基板堆叠工艺,完成了高密度布线,实现了多芯片模块的封装,如图7所示。其玻璃尺寸约为100mm×100mm,孔径为20μm,线/间距为5μm/5μm。通过微凸块(间距40μm)在玻璃基板上成功安装并连接了9个21mm×21mm的芯片。在30℃至250℃的温度范围内,翘曲非常轻微:9个芯片的最大翘曲量仅为23μm。因此,与传统的硅中介层技术相比,基于TGV技术的玻璃基板堆叠技术在计算性能改进方面具有显著优势[62]。 3结论与展望 TGV技术在三维集成电路中具有高性能、低成本、多兼容等显著优势。这些优势使得TGV技术在三维集成无源器件、射频天线、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有广阔应用前景。在TGV制程方面,激光诱导刻蚀技术和电镀填孔技术是当前TGV成孔和孔填充中较为成熟的工艺,但仍需要在加工精度、加工效率和加工成本方面进一步优化和改进,以应对日益复杂的电子器件和系统的需求。 基于TGV技术的三维集成电子封装未来发展方向可以从以下方面进行考虑。 低成本智能化工艺:随着TGV技术的不断发展,未来会出现更多的制造工艺优化,以提高生产效率和降低成本。例如,通过改进设备和通孔工艺,提高TGV通孔的均一性、垂直性和深宽比;同时通过改进金属镀膜工艺,在通孔中实现高质量的金属填充,降低孔隙率和信号损耗。另外,玻璃通孔技术正在走向智能化、精细化。智能化的封装工艺将更注重对于封装材料、工艺参数和制程管理的精确把控,以提高封装的良品率和可靠性。此外,通过自动化操作和AI技术的引入,可以实现更高效的生产流程,降低生产成本,提高产品的市场竞争力。 多维度一体化集成:随着5G、6G等通信技术的发展,未来TGV三维电子封装会更加注重系统集成。TGV技术可以同时在横向和纵向上实现多种芯片的高密度集成,从而在一个封装体内实现多种功能、多个系统之间的相互联接和协同工作,例如同时实现集成电源管理、数字信号处理、射频信号传输等多种功能。这样的一体化集成不仅可以提高封装的集成度从而提升整个系统的性能、效率、可靠性和安全性,同时也可以简化设计和制造流程,降低整个系统的复杂性和成本。 绿色环保制程:随着社会环保意识的不断提高,环保已经成为了各行业的重要发展方向。玻璃通孔三维互联技术的环保性得益于其使用的绿色环保材料和低能耗的制程。未来TGV三维集成电子封装也会更加注重绿色环保,即采用更加环保的材料和制造工艺,以降低对环境的影响。例如,采用全干法制程进行玻璃通孔及金属化填充,避免玻璃通孔过程中的液体蚀刻工艺和金属化过程中的电镀工艺,减少对废液的处理和对环境的污染。未来,封装厂商也将更加注重生产过程的绿色化,减少对环境的污染,为社会创造更加绿色的发展环境。

三维集成电子封装中TGV技术及其器件应用进展

摘要: 在三维(3D)集成电路中,层间电路封装及其互联互通主要依赖于垂直通孔结构,这是其突破传统二维集成电路布局的核心与关键。近年来,玻璃通孔(TGV)技术由于具备低成本、高性能、易于加工和应用前景广阔等优点,日益引起了科研人员和电子厂商们的关注与重视。首先综述了TGV技术的性能优势、工艺特点、制备方法及关键技术。在此基础上,总结了TGV技术在三维集成无源器件(IPD)、集成天线封装、微机电系统(MEMS)封装以及多芯片模块封装等多个三维集成电子封装领域中的应用进展。基于此,进一步展望了TGV技术在未来三维集成电子封装中的发展方向与应用前景。 摩尔定律认为芯片的集成度约每隔18个月翻一倍,其性能也会随之提升一倍[1-3]。然而,当半导体制程技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限时,摩尔定律发展陷入瓶颈,经济效益急剧降低,行业由此正式进入了“后摩尔时代”[4-6]。在后摩尔时代,制程采用更为先进的三维封装集成技术,利用垂直通孔结构将多个芯片进行纵向堆叠(图1),使芯片集成度成倍提高、电气互联距离和封装尺寸大幅度缩减,同时集成电路的功能多样化也得到提升[7-8]。 在三维集成电路中,垂直通孔结构是实现芯片或器件之间电气垂直互联的关键通道。目前硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)和玻璃通孔(ThroughGlassVia,TGV)是常用的两种通孔互联方式。TSV结构如图2(a)所示,它使芯片在三维方向上获得了最大的堆叠密度、最短的电气互联距离、最小的外形尺寸,能够显著提高芯片运行速度,降低功耗[9-11]。然而,TSV的制造过程涉及复杂的硅刻蚀技术,并需额外沉积绝缘层,导致其成本居高不下。此外,由于硅本身是半导体材料,电信号在传输过程中会与硅衬底产生较强的电磁耦合效应,将会影响信号完整度(插损、串扰等)。 TGV技术堪称TSV技术最具前景的替代方案。该技术通过在玻璃晶圆上加工出精密的微米级通孔或盲孔,随后在这些孔洞中填充导电材料,从而建立起芯片间或晶圆间的垂直电气连接,如图2(b)[12-13]。TGV的优势主要体现在:(1)玻璃材料作为绝缘体,其相对介电常数大约为3.8,远低于硅材料的11.7。此外,玻璃的损耗因子(0.0002@100MHz和0.00006@3GHz)显著低于硅材料(0.005@1GHz和0.015@10GHz),两者相差2到3个数量级。因此,玻璃基板的衬底损耗和寄生效应极小,有助于保持信号传输的完整性和可靠性。(2)玻璃材料能够以大尺寸(超过2m×2m)和极薄厚度(小于50μm)的形式获取,并且由于玻璃的绝缘性良好,省去了在衬底表面及通孔内壁沉积绝缘层的步骤,不仅减少了TGV制作工艺的复杂性,还大幅降低了制作成本。(3)TGV技术的应用范围非常广泛,它在射频芯片、高端微电子机械系统(MEMS)传感器、高密度系统集成等领域均显示出独特的优势。特别是对于下一代5G、6G等高频通信技术的芯片3D封装,TGV技术已成为首选方案之一[14-16]。 TGV技术凭借其独特优势,近年来已吸引了包括英特尔、三星、英伟达、苹果和台积电等芯片大厂的广泛关注。从英特尔率先推出的玻璃封装,到目前各大厂商纷纷布局的TGV技术,采用玻璃基板替代传统的有机基板已成为行业内的共识。然而,尽管TGV技术展现出巨大的市场潜力和技术前景,但其在三维封装领域仍属于新兴技术,整体商业化进程尚处在初级阶段,市场渗透率较低[17-19]。此外,TGV技术在工艺制程方面也面临着多重挑战。其中,最为严峻的挑战在于TGV的成孔和填孔工艺。在玻璃上打孔并填充导电材料是一个复杂且精细的过程,需要精确的激光打孔和化学蚀刻。同时,确保玻璃孔的均匀性和精确性对于保障信号传输的质量和可靠性至关重要[20-21]。 为了揭示TGV技术的工艺特性、所面临的挑战、应用潜力及发展前景,本文不仅系统梳理了TGV技术的工艺特点、制备方法及关键技术,还深入分析了该技术的当前发展状态和未来可能的发展趋势,旨在为电子封装领域的产业发展提供重要的决策参考。同时,本文还对TGV技术在不同应用领域的发展前景进行了展望,以期为电子封装领域的从业者和研发人员提供新的方向、思路和灵感,共同推动新一代电子封装产业与技术的快速创新和蓬勃发展。 1TGV工艺及通孔方法 TGV成孔技术是通孔互联技术中的关键环节,需要满足高精度、低成本、快速无损、且高成孔质量(通孔尺寸小、通孔间间距窄、侧壁光滑、垂直度好)等要求。目前,TGV成孔方法主要有以下几种:喷砂法[22-23]、激光烧蚀法[24-26]、聚焦放电法[27]、电化学放电法[28-30]、等离子体刻蚀法[31-32]、光敏玻璃法[33-35]和激光诱导刻蚀法[36-41]。各方面优缺点如表1所示。其中,喷砂法和电化学放电法的通孔孔径和孔间距较大;激光烧蚀法和聚焦放电法制备的通孔存在锥度且批量成孔效率低;光敏玻璃法适用范围有限,工艺复杂且成本高;等离子体刻蚀同样工艺复杂且刻蚀效率较低。 激光诱导刻蚀法是一种基于激光技术和化学刻蚀发展起来的新型玻璃通孔技术。该方法制备TGV通孔分为两步(如图3所示):一是激光改性,即先使用激光在玻璃中形成改性区域;二是蚀刻通孔,即采用化学腐蚀剂如氢氟酸对改性区域进行选择性刻蚀,从而形成玻璃通孔。该方法既克服了激光烧蚀刻蚀速度慢、存在裂纹的缺点,也解决了化学刻蚀方法难以定性刻蚀的问题。该方法具有玻璃通孔质量高(高深宽比、高密度、均匀一致且无裂纹)、玻璃通孔形貌可调(通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌)、成孔速率快(可达到290TGV/s)等优点,目前已经成为制备玻璃通孔的主流方法。 在激光诱导刻蚀法制备TGV方面,江西沃格光电股份有限公司具有显著优势[36-37],目前制备的TGV最小孔径可至10μm,深宽比可达10∶1,并且孔壁光滑规整。此外,成都迈科科技有限公司也采用激光诱导刻蚀法制备TGV,制备出的玻璃通孔具有孔径小(≤50μm的圆孔)、通孔密度高(2500个/cm2)、锥度小、通孔内壁光滑且成孔效率高等特点[38]。 TGV孔填充技术是TGV垂直互联的核心环节,通过在孔径中填充高质量金属材料实现上下表面的电信号传输。然而,由于玻璃表面平滑,与常用的填充金属材料(如铜)的黏附性较差,容易导致金属与玻璃衬底之间产生分层甚至脱落等问题。为了增强填充金属材料与玻璃基底间的结合力,通常采用两步法进行通孔的金属化填充:首先,在玻璃通孔内进行种子层沉积,种子层可以起到提供导电性、增加填充效率和改善结合力的作用,为后续的TGV填充过程做准备;然后,采用电镀的方法对经过金属化处理后的通孔进行增厚,来实现金属材料的充分填充,从而与玻璃基底牢固结合。 种子层的沉积可以通过物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,PVD)[42-43]、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)[44]、原子层沉积(AtomicLayerDeposition,ALD)[45]或化学镀[46-48]等方法来实现,各方法的优缺点如表2所示。其中,CVD方法设备成熟,制备的薄膜均匀性好,台阶覆盖好。ALD方法同样存在薄膜厚度可控、台阶覆盖良好的优点。但这两种方法也存在明显缺点:如CVD方法一般工艺温度较高;ALD方法技术相对不成熟;且CVD和ALD方法均不适合进行大规模生产。相比之下,PVD和化学镀的方法设备成熟、操作简单,更适合大面积规模化生产,因此被广泛用于TGV金属化填充过程中的种子层沉积。 电镀过程中,电流和化学助剂等参数会产生影响,可能导致通孔内部出现填充不完整的现象,甚至出现金属呈V形、通孔中心大部分未被填充的情况。研究表明,利用脉冲电镀代替直流电镀,可以显著提高电镀填充的速率,并减少填充缺陷(如孔洞或缝隙)的产生[49]。另外,采用超声波搅拌辅助的通孔电镀工艺也被用于解决金属填充过程中通孔内存在孔隙或填充不满的问题[50]。同样,以双阳极取代单阳极板的通孔电镀工艺也可解决金属填充过程中通孔填充不满的问题[42]。此外,采用适宜的电镀铜溶液及电镀方法,可以使铜在通孔内部中间部位预先相连填满,再向两面孔口逐渐同步填充,最终形成高效密封导通的铜材料,实现通孔无孔隙的金属化制作[51]。 2三维电子封装中TGV技术的器件应用进展 TGV基板因具有优异的电学特性、化学稳定性和机械稳定性等优势,在多个电子封装领域得到了广泛的关注。下面主要从TGV及相关技术在三维集成无源器件(IntegratedPassiveDevice,IPD)、集成天线封装、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)封装以及多芯片模块封装等领域的应用方面进行概述。 2.1三维集成无源器件 TGV技术可以用于制造三维集成无源器件的封装载板。通过使用TGV技术,可以实现芯片之间的互联和互通,提高芯片的集成度和性能。同时,TGV技术还可以实现芯片之间的最小间距和最小线宽,满足无源器件对高密度集成和精细制造的需求。2010年,乔治亚理工的Sridharan等率先采用TGV互联技术制备了具有高Q值的三维螺旋电感,应用在IPD中完成滤波器的封装制作,并表现出优异的电学性能:5GHz滤波器的插入损耗小于1dB,回波损耗优于20dB[52]。日月光集团(ASEgroup)的研究人员也将TGV广泛用于三维集成无源器件。2016年,Hsieh等采用TGV玻璃制备了高性能IPD电感器,制备流程如图4(a)所示。该三维TGV电感器在900MHz时的Q值为60,在2.4GHz时的Q值为75,大大优于二维螺旋电感器,有助于提高射频有限元在无线通信系统中的性能[53];2017年,Chen等基于TGV技术在玻璃基板上实现了面板级(408mm×512mm的长方形玻璃)的IPD制作工艺。如图4(b)所示,该工艺可将面板翘曲控制在1mm以内,且未出现明显的结构剥离/分层现象,显著降低了IPD的制作成本[54]。厦门云天半导体也成功将TGV技术应用于IPD领域:2023年,宗蕾等发明了一种集成射频前端模组的封装结构及封装方法。其中,封装方法同时集成了TGV玻璃和硅片的优势,即采用含TGV通孔的玻璃和硅片晶圆键合后形成承载晶圆。这种方法不仅可以有效减少晶圆级封装过程中的翘曲问题,提高封装良率,还可以通过硅片增强整体模块的散热性能。另外,通过多层重布线工艺,即钝化层和金属线路层多层叠加的方式,实现了多颗芯片的信号互联并可高度集成薄膜IPD器件,可用于替代射频前端模块板级封装中所使用的基板[55]。 2.2集成天线 玻璃转接板集成定向TGV天线通过在3D堆叠芯片之间实现高效的芯片内/芯片间无线通信,减少了引线键合导致的时间延迟,在三维系统级封装(SiP)下可实现低功耗、低时延的高速无线通信。2018年,美国佛罗里达大学的Hwangbo等在玻璃基板上通过成孔、溅射镀膜和光刻等工艺,设计了一种紧凑、高效的盘式单极TGV集成天线,并将其用于三维系统级封装,实现了低延时的毫米波无线信号在芯片到芯片(C2C)间的高速传输。如图5(a)所示,其特点是在玻璃基板表面的单极顶端设计圆盘形金属板进行阻抗匹配,增大天线的电流和辐射电阻,使天线辐射出更大的功率。另外,圆盘形金属板所构成的盘式单极天线减小了单极子天线在垂直方向的高度,从而可以匹配很薄的TGV玻璃,同时保持主单极子天线的全向辐射以及良好的天线增益与衬底损耗。模拟结果表明:天线在62GHz时的辐射效率达到94%,峰值增益为3.2dBi[56]。2019年,韩国首尔中央大学的Naqvi等采用新型硅填充玻璃通孔(ThroughGlassSiliconVia,TGSV)技术在玻璃基板上设计了一种具有端射辐射的V波段平面微机械螺旋天线,如图5(b)。为了达到沿螺旋轴的最大辐射,螺旋设置为3.25转。玻璃基板的背面是U形金属接地层,有助于增加在端射方向的增益。在金属接地层中间引入凹槽以实现V波段的宽带阻抗匹配。上下螺旋臂之间依靠TGSV实现电气互联。TGSVs的直径与螺旋臂的宽度一致。玻璃通孔侧壁溅射生长钨,并将硅柱包覆在内。模拟和测量结果表明:平面微机械螺旋天线的阻抗带宽为50.3~65GHz(<-10dB);天线在58GHz频段的峰值增益为6.3dBi,辐射效率为63%[57]。 2.3微机电系统封装 TGV技术在MEMS封装中也有广泛的应用。2012年,中国科学院微电子研究所的Sun等开发了一种低成本的TGV制备方法,并将其应用于射频微机电系统。首先,采用CO2激光和绿色皮秒激光对玻璃进行打孔,孔径约为100μm。然后,将聚合物(光刻胶、SU8、环氧树脂)填充TGV通孔,再将50μm的钨针插入孔中。最后,将样品加热并放入真空罐中,等待聚合物固化。在此结构中,射频输入、射频输出和偏置线均通过钨孔,可以缩短射频互联的长度,提高响应速度[58]。2013年,韩国檀国大学的Lee等采用电镀的方法实现了TGV的完全填充,并成功将其用于晶圆级射频MEMS封装(图6)。封装后的射频MEMS结构呈现出优异的电学性能:在40GHz频段内具有稳定可靠的射频性能;在20GHz时,表现出低的插入损耗(0.197dB)和高的返回损耗(20.032dB)[59]。 2022年,北京智能芯片微电子技术有限公司的Fu等提出了一种采用TGV工艺制造高性能MEMS加速计的方法,既能降低制造成本,又能保证器件的低噪声特性。其中,TGV工艺依靠激光钻孔,孔内金属填充基于铸造模具和CMP,封装则采用三层阳极键合工艺。此外,在制备MEMS器件时,还首次引入了铸造模具工艺。在结构设计方面,塞子采用分布式梳状电极进行过载位移抑制,封装方法释放的气体具有良好的机械阻尼特性。所制备的加速度计抗过载能力达10000g,噪声密度小于0.001(°)/Hz12,并且具有超高的倾斜测量性能[60]。 2.4多芯片模块封装 TGV技术在多芯片模块封装中也有广泛应用。2018年,日本富士通公司的Iwai等基于TGV技术开发了一种多层玻璃板堆叠工艺,它使用导电膏作为通孔填充材料,通过叠层和热压合实现多层玻璃基板的堆叠。回流测试结果表明:玻璃基板的翘曲率明显低于有机基板。该工艺利用多层玻璃基板热膨胀系数与硅相近的特性,解决了2.5D封装技术中存在的硅与有机基板热膨胀系数不匹配问题[61]。2019年,Iwai等基于多层玻璃基板堆叠工艺,完成了高密度布线,实现了多芯片模块的封装,如图7所示。其玻璃尺寸约为100mm×100mm,孔径为20μm,线/间距为5μm/5μm。通过微凸块(间距40μm)在玻璃基板上成功安装并连接了9个21mm×21mm的芯片。在30℃至250℃的温度范围内,翘曲非常轻微:9个芯片的最大翘曲量仅为23μm。因此,与传统的硅中介层技术相比,基于TGV技术的玻璃基板堆叠技术在计算性能改进方面具有显著优势[62]。 3结论与展望 TGV技术在三维集成电路中具有高性能、低成本、多兼容等显著优势。这些优势使得TGV技术在三维集成无源器件、射频天线、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有广阔应用前景。在TGV制程方面,激光诱导刻蚀技术和电镀填孔技术是当前TGV成孔和孔填充中较为成熟的工艺,但仍需要在加工精度、加工效率和加工成本方面进一步优化和改进,以应对日益复杂的电子器件和系统的需求。 基于TGV技术的三维集成电子封装未来发展方向可以从以下方面进行考虑。 低成本智能化工艺:随着TGV技术的不断发展,未来会出现更多的制造工艺优化,以提高生产效率和降低成本。例如,通过改进设备和通孔工艺,提高TGV通孔的均一性、垂直性和深宽比;同时通过改进金属镀膜工艺,在通孔中实现高质量的金属填充,降低孔隙率和信号损耗。另外,玻璃通孔技术正在走向智能化、精细化。智能化的封装工艺将更注重对于封装材料、工艺参数和制程管理的精确把控,以提高封装的良品率和可靠性。此外,通过自动化操作和AI技术的引入,可以实现更高效的生产流程,降低生产成本,提高产品的市场竞争力。 多维度一体化集成:随着5G、6G等通信技术的发展,未来TGV三维电子封装会更加注重系统集成。TGV技术可以同时在横向和纵向上实现多种芯片的高密度集成,从而在一个封装体内实现多种功能、多个系统之间的相互联接和协同工作,例如同时实现集成电源管理、数字信号处理、射频信号传输等多种功能。这样的一体化集成不仅可以提高封装的集成度从而提升整个系统的性能、效率、可靠性和安全性,同时也可以简化设计和制造流程,降低整个系统的复杂性和成本。 绿色环保制程:随着社会环保意识的不断提高,环保已经成为了各行业的重要发展方向。玻璃通孔三维互联技术的环保性得益于其使用的绿色环保材料和低能耗的制程。未来TGV三维集成电子封装也会更加注重绿色环保,即采用更加环保的材料和制造工艺,以降低对环境的影响。例如,采用全干法制程进行玻璃通孔及金属化填充,避免玻璃通孔过程中的液体蚀刻工艺和金属化过程中的电镀工艺,减少对废液的处理和对环境的污染。未来,封装厂商也将更加注重生产过程的绿色化,减少对环境的污染,为社会创造更加绿色的发展环境。

集成电路芯片封装技术

凸块制造技术演变及发展历史

晶圆级封装(WLP)技术正在流行，它可将封装尺寸减小至IC芯片大小，并以晶片形式成批加工制作，以降低封装成本，提高电路的可靠性。晶圆级封装成本还会随芯片尺寸的减小而下降。晶圆级封装工艺是通过在芯片电路层上再次布线来实现焊点的重新分布。在重新分布的焊点上生长焊料凸点，以此实现与外围电路的互连，然后经过切割，制成倒装芯片的样式。WLP取代了高密度的引线键合，实现了真正意义上的芯片尺寸封装。 射频前端（RFFE，Radio Frequency Front-End）模组国内外手机终端中广泛应用。它将功率放大器（PA，Power Amplifier）、开关（Switch）、低噪声放大器LNA（Low Noise Amplifier）、滤波器（Filter）、无源器件等集成为一个模组，从而提高性能，并减小封装体积。然而，受限于国外专利以及设计水平等因素，国产滤波器的份额相当低。在模块集成化的趋势下，国内射频巨头在布局和生产滤波器。声学滤波器可分为声表面滤波器和体声波滤波器，其中声表面滤波器可根据适用的频率细分为SAW、TC-SAW和IHP-SAW。体声波滤波器适用于较高的频段，可细分为BAW、FBAR、XBAR等。无论是SAW（Surface Acoustic Wave filter）还是BAW（Bulk Acoustic Wave Filter），均是在晶圆级封测后以倒装芯片的工艺贴装在模组上。在晶圆级封装工艺中，Bump制造是相当重要的一道工序，因此本文将浅谈滤波器晶圆级封装（Wafer Level package）中Bump制造的关键点。 凸块制造技术（Bumping）是在芯片上制作凸块，通过在芯片表面制作金属凸块提供芯片电气互连的“点”接口，广泛应用于 FC、WLP、CSP、3D 等先进封装。 凸块是定向生长于芯片表面，与芯片焊盘直接相连或间接相连的具有金属导电特性的凸起物。凸块工艺介于产业链前道集成电路制造和后道封装测试之间，是先进封装的核心技术之一。 凸块制造过程一般是基于定制的光掩模，通过真空溅镀、黄光、电镀、蚀刻等环节而成，该技术是晶圆制造环节的延伸，也是实施倒装（FC）封装工艺的基础及前提。相比以引线作为键合方式传统的封装，凸块代替了原有的引线，实现了"以点代线"的突破。该技术可允许芯片拥有更高的端口密度，缩短了信号传输路径，减少了信号延迟，具备了更优良的热传导性及可靠性。此外，将晶圆重布线技术（RDL）和凸块制造技术相结合，可对原来设计的集成电路线路接点位置(I/O Pad)进行优化和调整，使集成电路能适用于不同的封装形式，封装后芯片的电性能可以明显提高。 二、凸块制造技术演变及发展历史 凸块制造技术起源于 IBM 在 20 世纪 60 年代开发的 C4 工艺，即"可控坍塌芯片连接技术"(Controlled Collapse Chip Connection')，该技术使用金属共熔凸点将芯片直接焊在基片的焊盘上，焊点提供了与基片的电路和物理连接，该技术是集成电路凸块制造技术的雏形，也是实现倒装封装技术的基础，但是由于在当时这种封装方式成本极高，仅被用于高端 IC 的封装，因而限制了该技术的广泛使用。 (a) IBM 的首个具有 3 个端子晶体管的倒装芯片组件；(b) IBM 首个在陶瓷基板上的倒装芯片组件（3 个芯片） C4 工艺在后续演化过程中逐渐被优化，如采用在芯片底部添加树脂的方法，增强了封装的可靠性。这种创新使得低成本的有机基板得到了发展，促进了 FC 技术在集成电路以及消费品电子器件中以较低成本使用。此外，无铅材料得到了广泛的研究及应用，凸块制造的材料种类不断扩充。 在 20 丗纪 80 年代到 21 世纪初，集成电路产业由日本转移至韩国、中国台湾，集成电路细分领域的国际分工不断深化，凸块制造技术也逐渐由蒸镀工艺转变为溅镀与电镀相结合的凸块工艺，该工艺大幅缩小了凸块间距，提高了产品良率。 近年来，随着芯片集成度的提高，细节距（Fine Pitch）和极细节距（Ultra Fine Pitch）芯片的出现，促使凸块制造技术朝向高密度、微间距方向不断发展。 三、凸块制造的主要技术类别 凸块制造技术是诸多先进封装技术得以实现和进一步发展演化的基础，经过多年的发展，凸块制作的材质主要有金、铜、铜镍金、锡等，不同金属材质适用于不同芯片的封装，且不同凸块的特点、涉及的核心技术、上下游应用等方面差异较大，具体情况如下： 1.金凸块 金凸块，Gold Bumping，是一种利用金凸块接合替代引线键合实现芯片与 基板之间电气互联的制造技术，主要用于显示驱动芯片封装。金凸块制造技术主要用于显示驱动芯片的封装，少部分用干传感器、电子标签类产品。目前，LCD、AMOLED 等主流显示面板的驱动芯片都离不开金凸块制造工艺，后续可通过倒装工艺将芯片倒扣在玻璃基板（Glass）、柔性屏幕（Plastic）或卷带（Film）上，利用热压合或者透过导电胶材使凸块与线路上的引脚结合起来。 金凸块工艺流程 2.铜镍金凸块 铜镍金凸块，CuNiAu Bumping，是一种可优化 I/O 设计、大幅降低了导通电阻的凸块制造技术，凸块主要由铜、镍、金三种金属组成，可在较低成本下解决传统引线键合工艺的缺点。 在集成电路封测领域，铜镍金凸块属于新兴先进封装技术，近年来发展较为迅速，是对传统引线键合（Wire bonding）封装方式的优化方案。具体而言，铜镍金凸块可以通过大幅增加芯片表面凸块的面积，在不改变芯片内部原有线路结构的基础之上，对原有芯片进行重新布线（RDL），大大提高了引线键合的灵活性。此外，铜镍金凸块中铜的占比相对较高，因而具有天然的成本优势。 电子显微镜下的铜镍金凸块结构 由于电源管理芯片需要具备高可靠、高电流等特性，且常常需要在高温的环境下使用，而铜镍金凸块可以满足上述要求并大幅降低导通电阻，因此铜镍金凸块目前主要应用于电源管理类芯片。 铜镍金凸块工艺流程 3.铜柱凸块 铜柱凸块，Cu Pillar，是一种利用铜柱接合替代引线键合实现芯片与基板之间电气互联的制造技术。铜柱凸块技术是新一代芯片互连技术，后段适用于倒装（FC）的封装形式，应用十分广泛。 电子显微镜下的铜柱凸块结构 铜柱凸块技术是在覆晶封装芯片的表面制作焊接凸块，以代替传统的打线封 装，可以缩短连接电路的长度、减小芯片封装体积，使其具备较佳的导电、导热和抗电子迁移能力。 铜柱凸块制造主要步骤包括再钝化、真空溅镀、黄光、电镀、蚀刻等，具体工艺流程图如下： 铜柱凸块工艺流程 4.锡凸块 锡凸块Sn Bumping，是一种利用锡（Sn）接合替代引线键合实现芯片与基板之间电气互联的制造技术。锡凸块结构主要由铜焊盘（Cu Pad）和锡帽（SnAg Cap）构成（一般配合再钝化和 RDL 层），锡凸块一般是铜柱凸块尺寸的 3~5 倍，球体较大，可焊性更强（也可以通过电镀工艺，即电镀高锡柱并回流后形成大直径锡球），并可配合再钝化和重布线结构，主要用于 FC 制程。 电子显微镜下的锡凸块结构 锡凸块技术可以为电镀焊锡或植球焊锡，一般情况下，电镀焊锡尺寸可控制的更小。锡凸块多应用于晶圆级芯片尺寸封装，可以达到小尺寸封装，满足封装轻、薄、短、小的要求。 电镀焊锡凸块工艺流程 植球焊锡凸块工艺流程 当前业内常见的几种SAW filter Wafer Bumping工艺如下： 1、通过打线工艺在晶圆的UBM（Under Bump Metal）上植金球。 2、通过钢网印刷工艺在UBM上印刷锡膏，再经过回流焊成球。 3、先在晶圆的UBM上印刷助焊剂，将锡球放到UBM上，再经过回流焊完成植球。 本文重点介绍第二种工艺。通过对印刷锡膏方案的剖析发现，在Bumping工艺中Bump的高度和共面度（同一颗芯片上Bump高度最大值最小值之差，差值越低越好）是最重要的关键指标（如图1.1、图1.2）。下面从钢网的工艺和设计、锡膏的特性等方面进行分析。 钢网印刷 钢网印刷的目的是使锡膏材料通过特定的图案孔沉积到正确的位置上。首先，将锡膏放到钢网上，再用刮刀使其通过钢网开孔沉积到焊盘上。钢网与晶圆之间的距离（印刷间隙）、印刷角度、压力、速度和膏体的流变特性是确保锡膏印刷的关键参数。一旦钢网开孔被膏体填满，脱模后膏体留在每个焊盘上，沉积在焊盘上的体积取决于钢网的孔距和孔壁的质量、焊盘的表面特性和膏体的流变性能。 钢网的加工工艺与开孔设计 钢网孔壁质量、尺寸一致性、定位精度和钢网生产成本是钢网生产工艺的选择标准。考虑到带有Bump的滤波器是以倒装芯片的工艺应用在前端射频模组里，其特点是Bump的尺寸小（bump高度在50~100μm之间）、间距小、对Bump高度的一致性要求高（共面度在10μm以内）。为了满足以上要求，业内最常选用的是纳米涂层钢网和电铸钢网。 纳米涂层钢网的工艺是：在激光切割的基础上对钢网进行清洗，然后在钢网内壁进行打磨抛光以降低粗糙度，最后涂覆纳米涂层。纳米涂层使接触角显著增加，从而降低钢网材料的表面能，有利于锡膏脱模。 Source: Laser Job 电铸钢网的制作方法是：先在导电基板上用光刻技术制备模板，然后在阻胶膜周围进行直流电铸，最后从光刻胶孔上剥离。电铸钢网的质量和印刷性能取决于光刻胶的灵敏度、所用光刻工具的类型、导电基材的光学性能和电铸工艺。电铸钢网的开孔内壁非常光滑（如图3所示），其印刷脱模的表现也最好最稳定。 Source: Bon Mark 小结，纳米涂层钢网的印刷表现略逊于电铸钢网，其涂层在批量生产一段时间后可能会脱落，但是纳米涂层钢网的价格远低于电铸钢网；电铸钢网的侧壁非常光滑，其印刷表现最好，是超细间距应用的最佳选择，但电铸钢网的价格相当昂贵。钢网的选择取决于客户对产品特性和成本的综合考量。 开孔面积比 由于CTE不匹配会影响封装的可靠性，符合高度要求的Bump在这方面会起到积极的作用。这就要求钢网印刷过程可靠地沉积稳定的锡膏量，以产生坚固的互连。锡膏从钢网孔的释放是由锡膏在钢网孔侧壁和晶圆焊盘之间的相互作用决定的。据文献记载，为了从钢网印刷中获得良好的膏体释放效率，模板开孔面积比[开孔面积比=开口面积/孔壁面积] 应大于0.66。该比率限制了给定孔径大小的模板厚度，并要求使用更薄的模板来印刷更细的间距。随着钢网制作工艺的提升，钢网开孔的面积比可以适当降低，如下图4所示。 锡膏 锡膏是由焊粉和助焊剂均匀混合而成的膏体，其中锡球的形状、颗粒大小、尺寸分布、氧化程度以及助焊剂载体的流变性能和配方体系，都对锡膏的印刷和回流性能起着重要作用。细间距印刷用的焊粉一直是贺利氏电子的优势，因为Welco® technology（一种在油介质中分散熔融合金的制造技术）利用两种不同介质的表面张力存在差异的原理，用工艺配方控制粉末尺寸范围，摒弃了传统的网筛工序，避免了粉末颗粒因网筛而导致的形变（表面积变大）。再者，粉末在油介质中得到充分保护，减少了粉末表面的氧化。Welco®焊粉搭配贺利氏独特的助焊剂配方体系，使印刷锡膏的转化率能够得到保证。 当前市场上SAW/BAW滤波器的应用中常见的Bump高度为50-100μm，结合单个芯片的layout，即相邻bump的最小间距，以及相邻芯片的bump的最小间距，6号粉和7号粉锡膏是匹配的选择。粒径的定义是基于IPC的标准（如图6），即6号粉有80%的焊粉粒径分布在5-15μm的区间。 选择合适粒径的锡膏非常重要，助焊剂体系的选择也是非常关键。因为一些SAW 的IDT 位置是裸露的，焊锡膏或助焊剂的飞溅都有可能影响IDT 的信号和声波之间的转换。对此，贺利氏开发的AP5112和AP520系列产品在开发时均在飞溅方面做了深入的研究，从而尽可能避免飞溅问题。Bump 中空洞的表现也是非常重要的质量指标，尤其是在模组中经过多次回流焊之后。 案例分享 应用：SAW filter 6 inch 钽酸锂晶圆（印刷测试以铜板代替钽酸锂晶圆） Bump 高度=72±8μm；共面度<10μm 钢网开孔尺寸：130*140*50μm 锡膏：AP5112 SAC305 T6 印刷稳定性是影响bump高度一致性的关键因素。印刷窗口的定义通常受印刷设备的能力、钢网的加工工艺、产品设计等因素的影响，通常通过实验验证获得。如图7所示，6号粉锡膏的连续印刷表现优异，没有发现连锡和大小点的问题。Bump的高度数据能够更好地说明。 在回流焊过程中，已印刷在UBM区域的锡膏逐步熔化，助焊剂流至焊锡四周，而焊料熔化后回流到UBM上并在界面之间形成金属间化合物（Intermetallic layer），冷却后形成一定高度的Bump。Bump的平均高度非常靠近目标值，且标准差相对较小，如图8、图9所示。 Bump 高度的指标非常关键，Bump中的空洞也至关重要。在SAW filter上面的结果显示，贺利氏的6号粉和7号粉具有良好的表现，如图10所示。 晶圆级封装最终会以芯片级应用到系统封装，即以倒装芯片的工艺集成到模组里。在此过程中会经历多次回流焊工艺，那么回流焊之后bump内部的空洞会发生怎样的变化？对此，我们测试了3次回流焊之后bump内部空洞的变化，结果如图11所示。 贺利氏的6号和7号粉锡膏对应的Bump，在经过3次回流焊之后仍然能够保持在比较好的水平。 总结，本文简单阐述了晶圆级封装的关键技术点。贺利氏Welco焊粉和独有的助焊剂配方体系能够匹配SAW、BAW 等滤波器的晶圆封装需求。更深层次的技术细节，如Bump高度的设计和球高与锡膏量的关系，敬请期待下一篇文章。不论是晶圆级封装还是先进封装贺利氏都能提供成熟的解决方案。 BUMP植球切线操作详解

铜基镀银引线框架抗化学腐蚀工艺过程影响研究

摘要： 铜基镀银引线框架作为半导体封装的主要材料之一，其铜面和镀银区易受空气影响造成化学腐蚀，随着时间的变长，此种化学腐蚀程度会不断增加。由于化学腐蚀过度会造成引线框架表面的可焊性降低，最终造成焊线脱落和封装后分层问题，故铜面和镀银区的表面状态对半导体的可靠性有重要影响。本文介绍了铜基镀银引线框架生产过程中不同电镀工艺和铜保护剂类型的差异性，提出了铜基镀银引线框架生产过程中抗化学腐蚀性实现的关键控制点，为引线框架产品可靠性的提升预防提供数据支持。 0 引言 在生产和使用过程中，如果对引线框架保护不当，其表面容易与氧气或硫化物发生化合反应形成组织疏松的变色层；由于该层过厚会降低其与封装树脂之间的结合强度，导致封装树脂和引线框架之间有纳米级的分层和开裂现象，最终出现可靠性问题[1-2]。为了减少分层风险，引线框架设计时会增加锁胶孔、圆形凹孔、半蚀刻区域和表面粗化等方式[3]。其中，铜面和镀银区的表面状态对半导体的可靠性有重要影响： （1）引线框架铜面变色的主要原因。其是由于铜与 氧 气 反 应 生 成 氧 化 铜 （CuO）和 氧 化 亚 铜（Cu2O），CuO 呈黑色，Cu2O 呈红色，这些氧化物会使基材铜进一步氧化[4]，使引线框架表面的金属氧化物结合力下降，从而影响树脂和氧化区的结合。相关数据显示，当塑料方型扁平式封装 LQFP64 的 1.4mm厚度的封装体氧化层厚度的增长到 42.5nm 时，封装体会发生分层和开裂的情况[5-6]，为了避免铜面氧化，通常会在引线框架表面浸润一层铜保护剂。 （2）引线框架镀银变色的主要原因。其是由于镀银层遇空气中的硫化物反应生成硫化银和氧化银。银对大气环 境 中 微 量 的 硫 化 氢（H2S）很 敏 感 ，H2S 浓度 为0.3μg/m3 时，足以引起银的硫化变色[7-8]。单质镀银层暴露于空气中与含硫、硫氧化物、卤化物等接触，易生成氯化银 （AgCl）、硫酸银 （Ag2SO4）、硫化银（Ag2S）等难溶物质，致使银层失去原先的光泽，逐渐变成浅黄色、黄褐色的薄膜，同时会导致导电、导热和焊接等性能降低[9-11]。 本文对镀银引线框架不同电镀工艺对镀银区品质、铜保护剂类型的影响研究，获得镀银引线框架抗化学腐蚀性的最优工艺和使用方案。 1 引线框架制程介绍 引线框架按成型工艺可以分为模具冲压法和化学刻蚀法[12]，典型的模具冲压法和化学刻蚀法的工艺流程如图 1 所示。 另外，引线框架电镀生产流程如图 2 所示。其中，预备处理工序（Pre-Treatment）主要是对镀银前的基材表面进行清洁，确保镀银和基材表面的结合性，包括预镀铜工序（Cu Strike）和防置换工序（Anti-Immersion）。镀银工序（Ag Plating）主要使镀银层表面结晶均匀、具有高耐热性和低硬度，从而保证较高可焊性。后处理工序（Post-Treatment）主要对引线框架进行表面保护，包括抗氧化工序（Anti-Oxidant）和防银胶扩散工序（Anti-EBO）。 2 生产过程对引线框架抗化学腐蚀性的影响 2.1 镀银对引线框架抗化学腐蚀性的影响 2.1.1 喷镀和浸镀的差异 氰化银钾（KAg（CN）2）是电镀液的主盐成分，提供电沉积所需的离子[13]。由于环保要求和无氰镀银稳定性不理想，大部分工厂会选用低氰高速电镀的方式进行镀银，故目前仍以氰化体系占主导地位[14]。常见的引线框架镀银方式分为两种，一种是喷镀银，另一种是浸镀银，这两种工艺重要参数如表 1 所示，从中看出：喷镀工艺使用较高的镀银温度和电流密度，当电流在短时间内增加，而镀液配位能力较弱时，晶体快速成核与生长[15]，电流密度高，需配合较高的氰离子（CN-）浓度，才可以减少晶粒的过度生长；当电流密度降低时，镀银温度窗口减小。因此，镀银电流需符合引线框架电镀的电流密度和温度范围[16-17]。 图 3 是 A194 铜基镀银引线框架浸镀产品和喷镀产品镀银区的 50000 倍扫描电子显微镜（SEM）形貌图，可以看到：①喷镀银面致密性好，晶粒均匀且直径约 2um。②浸镀银面晶粒粗糙且直径约 8um，产生的镀银层晶界明显。应该看到，如果喷镀工艺在极短的时间内一次性完成，即速度在 3~4 秒 / 条，并且Ag+ 的浓度会较浸镀溶液高, 而 CN- 浓度也相对高，则此时的镀液配位能力较强，获得镀银的晶粒度更小。而且，电镀温度较高，镀银层组织更均匀[14]；如果浸镀工艺是以 6~7 秒/ 条的速度通过 4~6 个镀银缸体，则每个缸体中的杂质离子会在镀银区进行沉积，使镀银结构相对疏松且不平整。 我们选取六款 A194 铜基镀银引线框架，在含有相同硫化物浓度的环境下进行放置实验，使用光学显微镜观察引线框架镀银区化学腐蚀变色的情况。镀银层表面的规格按 GB/T 15878-2015《半导体集成电路小外形封装引线框架规范》要求，镀层表面应致密、平滑、色泽均匀呈镀层本色，不允许有起皮、起泡、沾污、斑点、水迹、异物、发花等缺陷。从表 2 可以看到，浸镀样品 D、E、F 样品在室温 48 小时放置后会发生变色现象，而喷镀样品 A、B、C 在室温 72小时放置后无变色现象。 同时，采用日本日立光谱仪（HITACHI Horiba）进行能量色散 X 射线（EDX）分析，获取镀银表面的元素差异，如图 4 所示：镀银区变色有 S 和 O 元素的存在，浸镀银区发生了硫化反应。 实验表明，浸镀工艺的产品镀银区抗化学腐蚀性较弱，而喷镀工艺的产品镀银区抗化学腐蚀性持久时间较长。其主要原因是喷镀工艺的镀银致密度较高，腐蚀性的元素不易与镀银组织反应形成化学腐蚀。另外，由于表面较为平整光滑，在镀银后制程中容易清洗，镀银区含有的杂质较少，无法轻易进行腐蚀原电池反应而导致化学腐蚀。 2.1.2 镀银厚度的影响 我们 选 取 UHE2312152、UHE2311272和UHE2308242 的不同镀银厚度的 A194 铜基镀银引线框架产品，放置在含有硫化物的同一固定环境中，采用 HITACHI Horiba 进行 EDX 分析镀银变色层表面硫含量分析，获得不同厚度与硫含量的关系，如表3 所示。 实验表明：这三款不同镀银厚度的镀层在 48 小时后都有变色现象，硫元素含量和镀银厚度无线性关系。相同镀银工艺的产品，不同镀银厚度对引线框架的抗化学腐蚀性能影响不显著。 2.2 铜保护剂对引线框架抗化学腐蚀性的影响 从“前线分子轨道理论”分析有电子得失的氧化- 还原反应，本质上是还原剂分子最高占有轨道（HOMO）与氧化剂分子的最低空轨道（LUMO）因能级（E）差较大产生电子转移发生氧化 - 还原反应[18]。且铜保护剂大多是有机物，主要呈电负性。目前，第一代铜保护剂为有机硫化合物或氮烯化合物，如图5（a）所示，有机硫化合物被同时吸附在银和铜表面，而氮烯化合物只吸附在铜表面，因此硫系的保护剂较普遍应用在框架镀银上；第二代保护剂是含硫无机物保护剂，如图 5（b）所示，无机保护剂不但具有良好的有机膜防变色效果，同时适用于高热冲击的应用（300℃左右）。图 5 显示了以有机物铜保护剂为例的作用机理。从中看出：①其是以碳链为载体，铜保护的官能团 R1、R2 作为抗氧化功能实现的基团，通过碳链和引线框架表面络合，以达到改变其电荷分布和状态的目的，可使金属表面的能量更平稳，腐蚀速率放缓[19]。②官能团的有机链的组合形式不同，其抗氧化能力也不同。 2.2.1 铜保护的成分差异 传统的防变色处理为六价铬酸盐钝化和苯并三氮唑（BTA）钝化两种。其中，六价铬酸盐因其有强氧化性在铜表面形成钝化层, 铜钝化后电极电位向正方向移动，改变了铜表面的双电层结构，从而使电极电位发生了相应的变化，降低金属表面的氧化速度。另外，有机铜保护剂通常为含氮和含硫的杂环化合物，如苯并三氮唑 （BTA）、和 2- 巯基苯并噻唑（MBT）等，可以在氧化亚铜表面形成致密的 Cu（I）配合物膜，即 BTA-Cu 络合物膜。Cu（I）容易与含硫的缓蚀剂形成稳定的配位键，能承受 200℃以上的热振动[20]。 我们选取不同类型铜保护剂对 A194 铜基引线框架进行烘烤及铜剥离测试，按 GB/T 15878-2015《半导体集成电路小外形封装引线框架规范》要求执行。A、B、C 三款产品在 230℃烘烤 10 分钟后铜剥离测试全部通过，药水 A 和 B 为有机物铜保护剂，而药水 C 添加了巯基有机物。如表 4 所示，A、B、C 三款产品在 200℃烤箱烘烤2min 后，铜保护药水 A和 B 处理的引线框架变色；而药水 C 处理的引线框架未变色，其原因为药水 C 处理过的引线框架具有最好的耐热性。 实验表明，高温型铜保护剂分子中的硫对铜的配位能力更强，它可以明显提高铜保护效果，铜保护剂会在引线框架表面形成巯基（-SH）型保护膜，吸附铜面，以对抗高温高湿环境下引线框架的氧化。 2.2.2 铜保护剂中有无银离子 当铜保护剂中加入适量银盐后，银离子会与铜表面发生置换反应，在铜面形成极薄银层，起到保护铜层和阻止铜层跃迁的作用，如图 6 所示。以 N磺胺噻唑硫代乙醇酸（STG）铜保护剂为例，起保护作用的主要原因是在镀银表面形成了（Ag+ 与 N- 磺胺噻唑硫代乙醇酸的配合物）STG-Ag 等类似的多位点配位配合物，其 N 原子和巯基均可与 Ag+ 配位形成致密的表面配合物膜，有效抑制腐蚀介质与表面的反应，表面膜的良好导电性可归因于多维共轭效应[21]。当铜保护剂成膜后电荷传递电阻大幅度增大，腐蚀介质与银电极发生氧化还原反应的电荷转移阻力增大，银发生的腐蚀难度提高[22]。 本文通过选用浓度为 5ml/L 和20ml/L 的铜保护剂浸润 A194 铜基镀银引线框架后，进行无银离子活化剂和添加银离子活化剂的前后不同温度下的烘烤试验，结果如表 5 所示。当铜保护浓度为 5ml/L时，添加银离子活化剂会提升铜保护效果；当铜保护浓度为 20ml/L 时，添加银离子活化剂与否不影响效果。通常情况下，铜保护过程中银离子活化剂的添加量在 2.7~4.2g/L 之间，在不产生锡渣的前提下，可以确保镀银引线框架的抗氧化性。 实验表明，当铜保护剂浓度较低时，添加银离子活化剂可以提升引线框架抗化学腐蚀性能；而当铜保护剂达到较高浓度时，无论是否添加银离子活化剂，都可以保证引线框架抗化学腐蚀性能。 3 结论 本文通过对引线框架的生产工艺展开研究，阐述了引线框架表面发生变色的影响因子、机理和引线框架表面保护措施。文章结合充分的实验数据及相关文献，从不同种类的镀银工艺和铜保护剂两大方面探讨铜基镀银引线框架抗化学腐蚀性能的影响。主要得到以下结论： （1）浸镀工艺与喷镀工艺对引线框架抗化学腐蚀性能的影响 喷镀工艺由于银离子浓度较大、镀银温度高且镀银时间短，可以获得晶粒细小均匀而致密且平整无杂质的镀银层，使外界污染物与引线框架镀银面的接触面积减小，在后处理工艺或使用环节中不容易残留污染而形成化学腐蚀，从而有效提高引线框架的抗化学腐蚀性能。相同镀银工艺不同镀银厚度对引线框架的抗化学腐蚀性能影响不显著。 （2）铜保护剂类型对引线框架抗化学腐蚀性能的影响 铜保护剂中添加银离子可以提升铜基引线框架抗化学腐蚀性能，铜保护剂中添加巯基有机物对铜保护的抗高温分解性能影响显著，从而提升引线框架的抗化学腐蚀性能。

用DeepSeek详解芯片制造的大马士革工艺

各位大拿，给品评下DeepSeek给出的答案怎么样！ 提问DeepSeek： 尽可能详细介绍芯片制造的大马士革工艺 DeepSeek思考： 嗯，用户让我尽可能详细地介绍芯片制造中的大马士革工艺。首先，我需要回顾一下之前的知识，大马士革工艺主要用于金属互连，特别是铜互连，对吧？不过现在得仔细看看用户提供的搜索结果，确保信息准确且最新。 首先看网页1，提到铜大马士革工艺成为主要互连工艺，因为集成电路尺寸缩小，铜的电阻率更低，替代了铝。还有单大马和双大马的区别，双大马步骤更少，成本低。中微公司在刻蚀设备上的进展，特别是在28纳米及以下的一体化刻蚀工艺。这些信息很重要，需要整合到历史背景和制造流程中。 网页2解释了为什么大马士革工艺替代铝制程，铜的优点：电阻率低，电迁移抗性好，制造工艺优势。这里需要强调铜相对于铝的优势，以及大马士革工艺如何解决铜刻蚀的问题，比如介质层刻蚀和CMP的应用。 网页3内容不可用，可能跳过。网页4提到大马士革铜的历史背景，现代应用中的超微细结构、抗氧化性、热稳定性，以及制造流程中的材料准备、光刻、刻蚀、CMP等步骤。还有市场前景，比如5G、AI的应用，这些可以作为应用部分的补充。 网页5详细描述了大马士革工艺的步骤，特别是双大马士革的三种类型：先通孔、先沟槽、自对准。还提到阻挡层的作用，防止铜扩散。这点在制造流程中需要详细说明。 网页6讨论了半大马士革工艺在1.5nm节点的应用，涉及后段器件集成和新的掩膜版技术，还有高深宽比金属线和空气间隙的挑战。这部分可能属于工艺挑战或前沿发展，可以放在技术难题或最新进展中。 网页7对比了单双大马士革工艺，指出单大马用于第一层金属，双大马用于其他层，并解释了先通孔和先沟槽的不同应用节点。还有工艺流程的步骤，比如介质层刻蚀、阻挡层沉积、铜填充、CMP等，需要整合到制造步骤中。 网页8提到华进半导体的专利，关于聚合物介质层的CMP处理，这可能属于工艺中的挑战，比如不同介质层的处理，以及如何优化平坦化。 网页9是专家约稿，详细讨论大马士革工艺的发展现状，包括Low-k材料的使用，双大马士革的流程，以及工艺中的难题如低电阻通孔和电迁移失效。还提到了一体化刻蚀方法（AIO）的优势，这部分可以作为工艺流程中的创新点。 网页10提到刻蚀工艺中的大马士革和极高深宽比刻蚀，在逻辑器件中的应用，特别是28纳米以下的一体化刻蚀工艺。这需要结合到制造步骤中的刻蚀部分，说明其技术难度和重要性。 现在需要将这些信息结构化，分成历史背景、核心原理、制造流程、技术优势、挑战与解决方案、前沿发展等部分。同时注意引用对应的网页编号，比如在提到铜替代铝的原因时引用网页2和网页5，在双大马士革工艺时引用网页1、5、7、9等。 需要特别注意不同网页中的重复和互补信息，比如网页2和5都提到铜的低电阻率和电迁移抗性，网页7和9都讨论双大马士革的步骤。需要整合这些内容，避免重复，同时确保覆盖所有关键点，如阻挡层的作用、CMP的重要性、Low-k材料的使用等。 还要注意术语的一致性，比如双大马士革和Dual Damascene是同一概念。同时，在工艺流程部分需要详细描述步骤，包括介质层刻蚀、阻挡层和种子层沉积、铜电镀、CMP，以及单双大马士革的区别。 在技术挑战部分，要包括电迁移、通孔电阻、高深宽比刻蚀、介质层缺陷等问题，以及相应的解决方案，如复合金属通孔、工艺参数优化、一体化刻蚀方法等。 最后，前沿发展部分可以提到1.5nm节点的半大马士革工艺、混合键合技术、空气间隙和高深宽比金属线，这些来自网页6、9、10的信息，展示大马士革工艺的未来方向。 确保每个部分都有相应的引用，比如在历史背景中引用网页1、5、7，在制造流程中引用多个网页的具体步骤，挑战部分引用网页6、8、9、10，前沿部分引用网页6、9、10等。 需要检查是否有遗漏的重要信息，例如网页4提到的抗氧化性和热稳定性，网页9的Low-k材料要求，这些在优势部分需要强调。同时，网页8提到的CMP处理聚合物介质层的专利，说明工艺中的具体挑战和解决方案。 现在将这些信息组织成一个结构清晰、内容详尽的回答，确保每个部分都有足够的细节和引用支持，并且语言流畅，符合用户要求的专业性和深度。 DeepSeek回答： 芯片制造中的大马士革工艺详解 大马士革工艺（Damascene Process）是半导体制造中用于金属互连的关键技术，尤其在铜互连技术中占据核心地位。其名称源于古代大马士革城镶嵌金属的工艺，通过“先刻蚀后填充”的方式实现高精度金属线路的制备。以下从多个维度详细解析这一工艺： 一、历史背景与技术演进 起源与替代铝制程 传统铝互连在0.18微米以下制程中暴露出电阻率高、电迁移易失效等问题。1997年IBM首次提出大马士革工艺，以铜替代铝，利用铜的低电阻率（1.68 μΩ·cm vs 铝的2.82 μΩ·cm）和更强的电迁移抗性，显著提升了芯片性能479。 关键突破：铜难以通过传统干法刻蚀（生成固态副产物），大马士革工艺通过刻蚀介质层并填充铜，避免了直接刻蚀金属的难题79。 技术发展 从单大马士革（仅刻蚀沟槽或通孔）到双大马士革（同时刻蚀沟槽和通孔），工艺复杂度降低约20%，成本更优。双大马士革成为主流，尤其在28纳米及以下节点中，一体化刻蚀技术（如中微公司的动态极板间距调节设备）进一步提升了精度和效率2912。 二、核心工艺原理与流程 基本步骤 介质层刻蚀：在Low-k介电材料（如多孔SiO₂、FSG）上刻蚀出通孔（垂直连接）和沟槽（水平布线）11。 阻挡层与种子层沉积：通过物理气相沉积（PVD）生成Ta/TaN等阻挡层（防止铜扩散）和铜种子层（促进电镀）1011。 铜电镀与填充：电镀铜填充凹槽，确保无空隙（高深宽比下需优化电镀参数）79。 化学机械平坦化（CMP）：去除多余铜和阻挡层，形成平整表面1011。 双大马士革的两种路径 先通孔后沟槽：适用于65纳米及以上节点，通孔尺寸更小，需高精度光刻胶9。 先沟槽后通孔：45纳米以下节点采用金属硬掩模一体化刻蚀（AIO），减少介质损伤并优化关键尺寸控制911。 三、技术优势 性能提升 低电阻与高频特性：铜的低电阻率减少信号延迟，提升芯片速度，尤其适用于5G、AI等高带宽场景46。 高可靠性与抗电迁移：铜的抗电迁移能力比铝高10倍以上，延长芯片寿命411。 工艺兼容性 高互连密度：支持亚微米线宽（4纳米以下），推动3D封装（如混合键合技术）发展11。 简化流程：无需复杂金属刻蚀，直接填充铜降低缺陷率79。 四、关键技术挑战与解决方案 通孔电阻与材料创新 复合金属通孔：IMEC提出钨-铜复合结构，在10纳米通孔中电阻降低50%，同时提升热稳定性11。 阻挡层优化：采用超薄TaN/Ta阻挡层减少电阻并增强附着力11。 电迁移失效 逆流迁移控制：通过优化沟槽/通孔深径比（如W1=HD/D1, W2=HT/D2）和种子层沉积方向，减少空洞形成11。 高深宽比刻蚀与填充 深宽比>40:1的挑战：在3D NAND等存储器件中，需精准控制等离子体刻蚀参数（如射频能量、气体流量）以避免侧壁缺陷12。 空气间隙技术：通过选择性刻蚀在紧密间距中形成空气层，降低寄生电容811。 Low-k材料缺陷 多孔介质处理：采用低介电常数材料（如SiOCH）时，需避免刻蚀过程中的侧壁弯曲和阶梯缺陷，优化光刻条件11。 五、前沿发展与未来趋势 1.5纳米节点创新 半大马士革工艺：结合自对准图形化与间隙填充技术，支持14-22纳米金属间距，提升后段集成密度8。 混合高度金属线：定制不同高度的金属线优化电阻电容性能，适用于电源线与信号线分离设计8。 封装领域扩展 混合键合（Hybrid Bonding）：利用大马士革铜线路的平整表面实现芯片直接键合，推动2.5D/3D封装发展11。 TSV转接板应用：通过铜电镀填充硅通孔，提升封装互连密度10。 国产替代进展 设备与材料突破：中微公司开发的一体化刻蚀设备已用于28纳米以下逻辑器件，国产CMP技术（如华进半导体专利）在聚合物介质层处理中取得进展21012。 六、总结 大马士革工艺是芯片制造中铜互连的核心技术，其通过介质刻蚀与铜填充的结合，解决了微缩化制程中的电阻、可靠性和集成密度难题。随着先进节点向1.5纳米迈进，工艺创新（如半大马士革、混合键合）和设备国产化将成为突破关键。未来，该技术不仅推动逻辑和存储芯片的性能提升，还将加速先进封装与异构集成的发展2811。

光刻机原理及光刻设备的系统结构介绍

张霞 刘宏波 顾文 周细应 于治水 （上海工程技术大学 材料工程学院） 摘要： 文章以光刻原理为引子，介绍光刻设备的系统结构，解读光刻机行业的发展概况，重点介绍光刻机装备国产化的发展之路，最后，文章提出中国半导体装备业国产化的顶层设计框架。 光刻机，被誉为人类20世纪的发明奇迹之一，是集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛非常高。 光刻机是一种夸张类型的单反相机，将该层次光掩膜版上的事实图形缩小几百万倍，并实际制造出来。最核心的是镜头，这个不是一般的镜头，可以达到高2 m、直径1 m，甚至更大。光刻机是集成电路制造中最庞大、最精密复杂、难度最大、价格最昂贵的设备。光刻机就是将光掩膜版上的设计好的集成电路图形（宏观）通过光线的曝光印制到硅衬底的光感材料（微观）上，实现图形转移。 这一系列的光刻工艺过程在芯片生产过程中需要重复25次左右。整个流程决定了半导体线路纳米级的加工精度，对于功率以及光源的要求也十分复杂，对光刻机的技术要求十分苛刻，对误差和稳定性的要求极高，相关部件需要集成材料、光学、机电等领域最尖端的技术。因而光刻机的分辨率、精度也成为其性能的评价指数，直接影响到芯片的工艺精度以及芯片功耗、性能水平[1]。 1 光刻原理 光刻（lithography）设备是一种投影曝光系统，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，如图1所示。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路[2]。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。 半导体制程越先进，光刻设备便需要越精密复杂，包括高频率的激光光源、光掩模的对位精度、设备稳定度等，集合了许多领域的最尖端技术。图2是一张ASML的双工作台Twinscan光刻机介绍，各模块的作用如图2所示。 激光器（Laser）：也就是光源的发源地，光刻机核心设备之一。 束流输送（Beam Delivery）：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光。 束状态有不同的光学特性。矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。 物镜（Projection Lens）：物镜用来补偿光学误差，并将线路图等比例缩小。 操作控制单元（Operate Control Unit）：操作控制设备的运行控制电脑面板。 光源（Illuminator）：是光刻的利刃。光源的要求：有适当的波长（波长越短，曝光的特征尺寸就越小），同时有足够的能量，并且均匀地分布在曝光区。紫外光源的高压弧光灯（高压汞灯）的g线（436 nm）或i线（365 nm）；准分子激光（Excimer laser）光源，比如KrF（248 nm）、ArF（193 nm）和 F2（157 nm）。 硅片传输系统（Wafer Transport System，WTS）：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，圆片尺寸越大，产率越高。曝光的特征尺寸越小，产率越高。 扫描刻线阶段（Scanning Reticle Stage）：整个扫描曝光过程中由于硅片台存在急剧的加速阶段及减速阶段，且加速度和减速度a大小一般会达到1~4 g（g代表重力加速度），因此会对步进扫描光刻机造成扰动。由于硅片台和掩模台的运动精度、同步精度等要求，必须对步进扫描光刻机受到的扰动进行有效抑制和补偿，以提高硅片上形成图形的精度。 扫描硅片阶段（Scanning Wafer Stage，SWS）：硅片是圆的，需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat，notch。 隔震器（Airmounts）：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。 2 全球光刻机发展概况 目前业界有5家公司，分别是荷兰的ASM L、日本的Nikon、日本的canon、美国的ultratech以及我国的SMEE。 阿斯 麦（Ad v a n c e d S e m i c o n d u c t o r M a t e r i a l s Lithography，ASML）1971年脱胎于飞利浦光刻设备研发小组，1973年成功推出新型光刻设备。早期的发展惨溃，几乎陷入破产境界。一是因为技术落后，飞利浦公司先前研发的技术在漫长的等待中已经过时，远不能满足客户要求；二是市场已经饱和，竞争非常激烈，强手如林，日本的Nikon，Canon，Hitachi，美国的GCA，SVG，Ultratch，ASET，Perkin-Elmer，Eaton，民主德国的Zeiss等相继推出了自己的光刻机产品；三是资金严重匮乏。 但是ASML杀出重围，并成长为光刻机领域的绝对龙头，全球市占率达到近70%，垄断高端EUV（深紫外）光刻机市场。观其成长之路，可谓一段产业传奇。1995年上市，充裕的资金让公司发展提速；2000年推出Twinscan双工件台光刻机（见图2），一举奠定霸主地位；进入EUV时代，得到大客户支持，更是一骑绝尘。可以说ASML的龙头之路既与产业大环境密切相关，也是其自身重视研发，对研究创新始终采取开放态度的必然结果。 随着芯片尺寸不断缩小，EUV设备未形成行业刚需，目前全球一线的逻辑晶圆与存储晶圆厂商，均采购ASML的Twinscan机型，其中英特尔、三星、台积电三大巨头，纷纷入股ASML，以谋求其高端光刻设备共同开发与优先采购权。 ASML的研究团队与供应商及全球顶尖的科研机构、大学建立广泛的合作，采用开放式创新模式，大家在利己最擅长的尖端技术领域进行创新，分享专利成果和研发风险，合作伙伴也可以将这些技术用于其他领域。并且鼓励供应商在制造过程中提出改进意见，具有极高的效率和灵活性。 3 光刻机装备国产化的发展之路 我国光刻机设备的研制起步也不晚。从20世纪70年代开始就先后有清华大学精密仪器系、中科学院光电技术研究所、中电科45所投入研制。 2002年国家在上海组建上海微电子装备有限公司承担“十五”光刻机攻关项目时，中电科45所将从事分步投影光刻机研发任务的团队整体迁至上海参与其中。目前，我国从事集成电路前道制造用光刻机的生产厂商只有上海微电子装备（集团）股份有限公司（SMEE）和中国电科（CETC）旗下的电科装备。 上海微电子装备（集团）股份有限公司（SMEE）是国内技术最领先的光刻机研制生产单位，目前已量产的光刻机有3款（见表1），其中性能最好的是90 nm光刻机。2016年国内首台前道i线扫描光刻机交付用户。2017年4月公司承担的国家02重大科技专项任务“浸没光刻机关键技术预研项目”通过了国家正式验收；2017年10月公司承担的02重大科技专项“90 nm光刻机样机研制”任务通过了02专项实施管理办公室组织的专家组现场测试。 CE T C 的装 备光 刻 机 是 依 托 原 来 中电 科 45所的技术，45所从“六五”开始 一直 从事光 刻 机的研 制 开发 工作，先 后完 成 我 国“六 五”“八 五”“九 五”期 间的1.5μm，0.8 μm，0.5 μm光刻机的研制任务。2002年分步投影光刻机研发团队迁至上海后，目前公司主要研制生产用于100/150 mm中小规模集成电路、二极管、三极管、电力电子器件、MEMS和其他半导体器件制造工艺的单/双面接触接近式光刻机产品（见表2）。 4 结语 SMEE的光刻机、电科装备的化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）设备、北方华创的刻蚀机和CVD、盛美的清洗设备、中微的刻蚀机等都是非常有竞争力的，很多产品已经走出国门，或者与国外装备同步验证[3]。客观地讲，这些都是最近几年中国半导体装备产业的亮点。当然这些成绩也只是国产装备的初步发展，要真正做到国产高端装备全面进入市场还有很长的路要走。 第一，装备与工艺的结合问题，一直是制约国产装备进入大生产线的主要瓶颈之一。国际半导体装备厂商，特别是关键的、与工艺密切相关的前道设备厂商在工艺研发上投入巨大，一般都建有相应的工艺研发生产线。而目前国内半导体装备厂商还没有建立自己的工艺研发生产线。工艺固化到装备中，我们还有不小的距离。 第二，坚持自主研发，从零部件入手，掌控核心技术。国家重大专项对半导体设备与工艺的重视，对国产装备业来说是莫大的发展机会。我国不仅要支持关键装备的研发生产，也要支持相关重要零部件厂商。 第三，协同创新，成果共享。目前半导体装备越来越复杂，一家公司独自承担所有零部件的开发确实不易。我们应该利用整个国家、甚至于全球的资源来共同完成。发展装备业，要采取产业链、创新链、金融链有效协同的新模式，专项与重点区域产业发展规划协同布局，主动引导地方和社会的产业投资跟进支持，有效推动专项成果产业化，扶植企业做大做强，形成产业规模，提高整体产业实力。 希望有更多的社会资本能投入中国半导体装备业中，半导体装备的国产化远比芯片国产化有意义。

2025年半导体预测是怎样的？

2024 年，半导体行业表现强劲，预计实现两位数 (19%) 增长，全年销售额达 6270 亿美元。这甚至好于早先预测的 6110 亿美元。2025年的表现可能会更好，预计销售额将达到 6970 亿美元，创下历史新高，并有望实现到 2030 年芯片销售额达到 1 万亿美元的广泛接受的目标。这意味着，该行业在 2025 年至 2030 年期间仅需以 7.5% 的复合年增长率增长（图 1）。假设该行业继续以这样的速度增长，到 2040 年就可能达到 2 万亿美元。 股市往往是行业表现的领先指标：截至 2024 年 12 月中旬，全球十大芯片公司的总市值为 6.5 万亿美元，较 2023 年 12 月中旬的 3.4 万亿美元增长 93%，比 2022 年 11 月中旬的 1.9 万亿美元高出 235%。话虽如此，值得注意的是，过去两年芯片股的“平均”表现一直是“两个市场的故事”：参与生成式人工智能芯片市场的公司表现优于平均水平，而没有这种风险的公司（例如汽车、计算机、智能手机和通信半导体公司）表现不佳。 推动行业销售的一个因素是对新一代人工智能芯片的需求：包括 CPU、GPU、数据中心通信芯片、内存、电源芯片等。德勤的《2024 年 TMT 预测》报告预测，这些新一代人工智能芯片的总价值将“超过”500 亿美元，这是一个过于保守的预测，因为到 2024 年，市场价值可能超过 1250 亿美元，占当年芯片总销售额的 20% 以上。在本文发表时，我们预测到 2025 年，新一代人工智能芯片的价值将超过 1500 亿美元。此外，AMD 首席执行官 Lisa Su 将她对人工智能加速器芯片总潜在市场的估计上调至 2028 年的 5000 亿美元，这一数字高于 2023 年整个芯片行业的销售额。 在终端市场方面，个人电脑销量在 2023 年和 2024 年持平于 2.62 亿台后，预计 2025 年将增长 4% 以上，达到约 2.73 亿台。与此同时，智能手机销量预计将在 2025 年（及以后）以低个位数增长，到 2024 年达到 12.4 亿台（同比增长 6.2%）。这两个终端市场对半导体行业至关重要：2023 年，通信和计算机芯片销售额（包括数据中心芯片）占当年半导体总销售额的 57%，而汽车和工业（仅占总销售额的 31%）则占比更高。 该行业面临的一个挑战是，虽然新一代人工智能芯片和相关收入（内存、先进封装、通信等）带来了巨额收入和利润，但它们只代表了少数高价值芯片，这意味着整个行业的晶圆产能（以及利用率）并不像看起来那么高。2023 年，芯片销量接近 1 万亿，平均售价为每片 0.61 美元。粗略估计，虽然新一代人工智能芯片可能占 2024 年收入的 20%，但它们在晶圆总产量中所占比例还不到 0.2%。尽管预计 2024 年全球芯片收入将增长 19%，但全年硅晶圆出货量实际上预计下降2.4%。预计到 2025 年，这一数字将增长近 10%，这得益于对新一代 AI 芯片中大量使用的组件和技术（如小芯片）的需求，正如我们在 2025 年 TMT 预测报告中提到的那样。当然，硅晶圆并不是唯一需要追踪的产能：先进封装的增长速度更快。例如，一些分析师估计，台积电的 CoWoS（基板上晶圆上的芯片）2.5D 先进封装产能将在 2024 年达到每月 35,000 片晶圆（wpm），并可能增加到 70,000 wpm（同比增长 100%），到 2026 年底将进一步同比增长 30% 至 90,000 wpm。 此外，推动行业创新并不便宜。2015 年，芯片行业整体研发支出占息税前利润 (EBIT) 的平均水平为 45%，但到 2024 年，这一比例预计将达到 52%。研发支出的复合年增长率似乎为 12%，而白色 EBIT 的增长率仅为 10%（图 2）。 最后，值得提醒读者的是，芯片行业是出了名的周期性行业。在过去 34 年中，该行业曾 9 次从增长转为萎缩（图 3）。因此，与 1990 年至 2010 年相比，过去 14 年该行业的极端增长或萎缩似乎有所减少，但萎缩的频率似乎有所增加。目前看来，2025 年前景看好，很难预测 2026 年会带来什么。 这些趋势和其他趋势都影响着我们对 2025 年半导体行业的展望，我们将深入探讨未来一年的四大主题：用于个人电脑和智能手机以及企业边缘的生成式 AI 加速器芯片；芯片设计的新“左移”方法；日益严重的全球人才短缺；以及在不断升级的地缘政治紧张局势中建立有弹性的供应链的必要性。 1 个人电脑、智能手机、企业边缘和物联网中的生成式 AI 芯片 用于训练和推理新一代人工智能的许多芯片价格高达数万美元，用于大型云数据中心。2024 年和 2025 年，这些芯片或这些芯片的轻量级版本也将在企业边缘、计算机、智能手机以及（随着时间的推移）其他边缘设备（如物联网应用）中找到归属。需要明确的是，在许多情况下，这些芯片要么用于新一代人工智能，要么用于传统人工智能（机器学习），或者两者的结合（这种情况越来越多）。 企业边缘市场在 2024 年就已成为一个因素，但 2025 年的问题将是这些芯片的更小、更便宜、功能更弱的版本如何成为计算机和智能手机的关键部件。它们在单芯片价值上的不足可以通过数量来弥补：预计 2025 年个人电脑销量将超过 2.6 亿台，而智能手机销量预计将超过 12.4 亿台。有时，“新一代人工智能芯片”可以是一块独立的硅片，但更常见的是，它是几平方毫米的专用人工智能处理空间，是更大芯片的一小部分。 企业边缘：尽管通过云端实现人工智能可能仍将是许多企业的主导选择，但预计全球约有一半的企业将在本地增加人工智能数据中心基础设施——这是企业边缘计算的一个例子。这可能部分是为了帮助保护他们的知识产权和敏感数据，并遵守数据主权或其他法规，同时也是为了帮助他们节省资金。这些芯片与超大规模数据中心的芯片大致相同，服务器机架的成本高达数百万美元，需要数百千瓦的电力。虽然比超大规模芯片的需求要小，但我们估计，到 2025 年，全球企业边缘服务器芯片的价值可能达到数百亿美元。 个人电脑：预计到 2025 年，搭载人工智能的 PC 销量将占到所有 PC 的一半，一些预测表明，到 2028 年，几乎所有 PC 都将至少配备一些板载人工智能处理，也称为神经处理单元 (NPU)（图 4）。这些搭载 NPU 的机器预计价格将高出 10% 至 15%，但需要注意的是，并非所有人工智能 PC 都一样。根据主要 PC 生态系统公司的建议，只有每秒运算速度超过 40 TOPS 的计算机才被视为真正的人工智能 PC，40 TOPS（每秒万亿次运算）级别是一条分界线。截至撰写本文时，一些买家对这些新 PC 持谨慎态度，要么不愿意支付溢价，要么等到 2025 年下半年推出更强大的人工智能 NPU。 截至 2024 年 12 月，许多已安装的 PC 都运行在 x86 CPU 上，其余则运行在基于 Arm 架构的 CPU 上。联发科、微软和高通于 2024 年宣布，他们将生产基于 Arm 的 PC，特别是新一代 AI PC。目前尚不清楚这些机器在未来 12 个月内会取得多大成功，但这很可能是各家芯片制造商面临的一个关键问题，高通预计到 2029 年，其每年将销售价值 40 亿美元的 PC 芯片。 智能手机：PC NPU 的价值可能高达数十美元，而与智能手机相当的新一代 AI 芯片的价值可能要低得多，我们估计下一代智能手机处理器的硅片价格不到 1 美元。尽管智能手机市场每年的销量超过 10 亿部，尽管我们预测到 2025 年新一代 AI 智能手机将占手机销量的 30%，但以美元计算，半导体的影响可能小于 PC。相反，对于芯片制造商来说，一个有趣的角度可能是看看消费者是否对新一代 AI 手机和功能足够兴奋，以缩短更换周期。消费者在升级之前会保留手机更长时间，而且多年来销量一直持平。如果新一代 AI 热情导致智能手机销量上升，那么它可能会使所有类型的芯片公司受益，而不仅仅是那些自己生产新一代 AI 芯片的公司。 物联网：数据中心的新一代人工智能芯片可能要花费 30,000 美元。个人电脑上的新一代人工智能芯片可能要花费 30 美元。智能手机上的新一代人工智能芯片可能要花费 3 美元。对于在低成本物联网市场中发挥作用的新一代人工智能芯片，它们的成本应该在 0.3 美元左右。这不太可能在短期内发生，但由于数百亿个物联网终端可能需要人工智能处理器，因此这是一个值得长期关注的市场。 需要考虑的战略问题： 尽管目前数据中心的新一代人工智能芯片需求旺盛，但考虑到其对行业增长的重要性，是否有迹象表明需求正在减弱，或者处理正在从数据中心转移到边缘设备？ 鉴于人工智能芯片在数据中心的成功，各种边缘芯片的市场潜力可能会推动并购，并吸引更多私募股权、风险投资和主权财富基金的兴趣：芯片公司已经与金融参与者结盟。我们能在 2025 年看到更多这样的情况吗？ 一些分析师预计，到 2025 年及以后，人工智能推理市场的增长速度将超过训练市场：这会对各个半导体行业和参与者产生什么影响？随着人工智能推理成本的快速下降，它将如何影响半导体芯片？ 随着人们更加关注可持续性，以及由于人工智能推动的电力需求激增而导致的电力消耗压力不断加大，行业如何在笔记本电脑、手机和物联网设备等小型设备中取得电源效率和性能之间的平衡？ 2 芯片设计“左移”，呼吁整个行业加强合作 德勤预测，到 2023 年，人工智能将成为人类半导体工程师的强大助手，帮助他们完成极其复杂的芯片设计流程，并使他们能够找到改进和优化 PPA（功率、性能和面积）的方法。截至 2024 年，新一代人工智能已实现快速迭代，以增强现有设计并发现可以在更短时间内完成的全新设计。2025年，可能会更加重视“左移”——一种芯片设计和开发方法，其中测试、验证和确认在芯片设计和开发过程的早期被提前——因为优化策略可以从简单的 PPA 指标发展到系统级指标，例如每瓦性能、每瓦 FLOP（或“每秒浮点运算”）和热因素。而先进的人工智能功能（图形神经网络和强化学习）的结合可能会继续帮助设计比人类工程师生产的典型芯片更节能的芯片。 领域专用芯片和专业芯片预计将继续比通用芯片占据主导地位，因为多个行业（例如汽车）和某些 AI 工作负载需要定制的芯片设计方法。然而，专用集成电路的广泛采用仍不太明朗，因为此类硬件的开发和维护成本高昂，可能会分散对其他 AI 进步的关注。但这正是新一代 AI 工具可以让公司设计出更专业、更有竞争力的产品（包括定制硅片）的地方。 3D IC 和异构架构带来了与排列、组装、验证和测试各种芯片相关的挑战，这些芯片有时可以预先组装。这种从单个产品设计转向系统设计的转变可以在早期融入软件和数字孪生——强调了早期和频繁测试的重要性。到2025 年，在流程上游同步硬件、系统和软件开发可能会有助于重新定义未来的系统工程，并提高整体效率、质量和上市时间。 为了发展并跟上设计面貌的变化，业界可能需要考虑处理复杂设计流程的新方法。芯片行业已经在探索数字孪生，以逐步模拟和可视化复杂的设计流程，包括移动或交换芯片以测量和评估多芯片系统性能的能力。数字孪生可以越来越多地用于提供物理终端设备或系统的视觉表示（通过 3D 建模），以协助设计的各个方面，包括机械和电气（软件和硬件）。设计师应该与电子设计自动化 (EDA) 和其他高科技计算机辅助设计/计算机辅助工程公司合作，以加强混合和复杂异构系统的设计、仿真、验证和确认工具和能力。他们还应该考虑使用和调整基于模型的系统工程工具，作为更广泛的 EDA“左移”方法的一部分。 由于设计和软件有望在下一代先进芯片产品的开发中发挥关键作用，因此在 2025 年，加强网络防御将变得更加重要。为了与左移方法保持一致，芯片设计人员应在芯片设计过程的早期集成安全性和安全测试。他们应该实施冗余和错误纠正和检测机制，以帮助确保系统即使某些组件发生故障也能继续运行，以及基于硬件的安全功能，例如安全启动机制和加密引擎。 需要考虑的战略问题： 随着芯片设计中的人工智能变得越来越普遍和普遍，并且 EDA 越来越多地支持人工智能，行业如何才能通过始终让人类工程师参与其中并让他们在整个过程中发挥重要作用，主动确保复杂设计过程中的信任和透明度？ 在定制硅片设计的情况下，设备原始设备制造商、产品设计师和芯片设计师之间的关系性质是什么？芯片公司和最终客户之间的一些差异化因素是什么？增加定制化是否会在产品定价方面带来规模优势，或者降低生产原型的成本或加速原型生产？ 新的工具和方法可能需要更广泛的芯片行业（包括 EDA 和设计公司）考虑长期方向和目标。在此背景下，半导体公司应该从系统工程和芯片开发/研发的角度解决哪些方面的问题？ 对更快速、更复杂芯片的设计以及更快的速度不断增长的需求将如何影响制造能力和产能，特别是对于后端参与者（先进封装代工厂和外包半导体组装和测试）？ 3 半导体行业人才挑战加剧 在德勤 2023 年半导体行业展望中，我们估计该行业到 2030 年需要增加 100 万名技术工人，即每年增加 10 万名以上。两年后，这一预测不仅成真，而且人才挑战预计将在 2025 年进一步加剧。从全球来看，各国都无法培养足够的技术人才来满足其劳动力需求。 从核心工程到芯片设计和制造、运营和维护，人工智能可能有助于缓解一些工程人才短缺问题，但技能差距依然存在（图 5）。到2025 年，吸引和留住人才可能仍将是许多组织面临的挑战，而问题很大一部分是劳动力老龄化，这在美国甚至欧洲更为突出。再加上复杂的地缘政治格局和供应链脆弱性，很明显，全球人才供应都面临压力。 随着美国和欧洲制造、组装和测试的回流，芯片公司和代工厂在 2025 年可能会面临压力，因为它们需要在当地寻找更多人才。例如，人才挑战是新工厂开业延迟的原因之一。与此相关的是，“友岸化”（与被视为盟友的国家或地区的公司合作）可以为供应链提供稳定性和弹性，尤其是对美国和欧盟而言。但它也要求在马来西亚、印度、日本和波兰等目的地寻找合适的技能，以帮助满足新的产能需求和人才角色。 芯片公司不能继续争夺同样有限的人才资源，同时还期望跟上行业技术进步和产能扩张的步伐。那么，半导体公司在 2025 年可以做些什么来解决人才难题呢？ 为了吸引人工智能和芯片人才，芯片公司应该考虑提供一种信任感、稳定性和预期的市场增长。这样，他们可以帮助让该行业对高中毕业生和新进入者更具吸引力，从而帮助重振人才渠道。 希望从各自国内芯片法案中获益的国家应考虑将战略目标和与劳动力发展和激活相关的方面纳入其中。一些例子可能包括培训计划、扩大职业和专业教育以及当地芯片公司为获得资金而承诺提供的就业机会。半导体公司应考虑与教育机构（高中、技术学院和大学）和当地政府组织合作，利用芯片资金开发和策划符合该地区特定行业需求的有针对性的劳动力培训和发展计划。 半导体公司应设计灵活的技能提升和再培训计划，以实现职业道路的灵活性，帮助解决未来劳动力技能和差距问题。此外，他们还应实施和利用先进的技术和基于人工智能的工具来评估各种人才相关因素，例如供应、需求以及当前和预计的支出，以执行复杂的劳动力情景建模，以支持战略人才决策。 需要考虑的战略问题： 如何根据专业领域（例如设计和知识产权、制造、操作员、工程和技术角色）对劳动力进行描述和细分？行业如何根据这些角色以及招聘的特定地理区域定制人才采购和技能发展战略？ 一个新兴趋势是代理人工智能：多模式、多代理人工智能能否部分解决迫在眉睫的人才短缺问题？ 在将新人才融入主流劳动力队伍时，应考虑哪些细微差别和因素以确保企业文化的一致性？应解决与人才保留问题和人才管道发展差距相关的哪些风险和陷阱？ 作为未来人才管道开发的一部分，应该考虑哪些相邻的技术劳动力类型，以及整体人才组合应该是什么样子，包括全职和零工，以帮助公司在未来一到两年内占据强势地位？ 4 在地缘政治紧张局势中构建有弹性的供应链 德勤的 2024 年半导体展望已经深入讨论了地缘政治紧张局势，那么 2025 年又有哪些新情况呢？ 一样……但更多。例如，2024 年 12 月，刚离任的政府发布了一份新的美国出口限制清单，主要仍集中在先进节点上（尽管有人猜测限制可能会扩大到包括一些相对不太先进的节点）。这些限制现在包括围绕先进检测和计量的单独附加类别。此外，许多（超过 100 个）新实体（主要是中国）已被添加到受限实体列表中。 作为这些限制措施的一部分，美国似乎正在采取“小院子、高围栏”的半导体出口限制方式。其目的是对相对较小的芯片技术子集施加高水平的限制，重点是国防技术，包括先进武器系统和军事应用中使用的先进人工智能。 新的限制措施（如果由新政府实施）进一步表明，人工智能的发展越来越被视为国家安全问题。在这些新限制措施出台的第二天，中国宣布进一步限制镓和锗（以及其他材料）的出口，这两种材料都是制造多种半导体的关键。正如我们在 2024 年预测的那样，持续的材料限制可能会对芯片行业构成挑战，但也是该行业加大电子垃圾回收力度的当务之急。 2025 年 1 月中旬，已离任的政府宣布了《人工智能技术扩散临时最终规则》。《临时最终规则》将对芯片出口实施新的管制。 在撰写本文时，尚不清楚新一届政府是否会取消 12 月和 1 月的限制措施、进行修改，甚至提出额外的限制措施。 此外，新政府还提议增加关税，包括对来自中国、墨西哥和加拿大的商品征收关税。69鉴于大多数半导体供应链的全球性，即将离任的政府提出的新的人工智能相关芯片出口管制以及计划中的更高关税可能会产生影响，并可能使供应链的管理变得更加复杂，从而转移利润、成本等。而且这种影响可能会影响整个供应链（包括研发和制造），并影响各个国家和地区的行业政策的制定方式。 当然，还有其他地缘政治风险或变化：乌克兰/俄罗斯和中东的冲突仍在继续，可能会影响半导体制造、供应链和关键原材料。但芯片行业还有其他薄弱环节：韩国 12 月的戒严令凸显了全球供应链对某些类型半导体的依赖和集中，尤其是在最先进的技术领域。作为集中度的一个例子，全球近 75% 的 DRAM 内存芯片都是在韩国制造的。 不仅仅是地缘政治因素会中断关键材料供应：2024 年的飓风海伦 (Hurricane Helene) 曾短暂关闭北卡罗来纳州的两座矿山，这两座矿山是全球几乎所有超高纯度石英的产地，而石英对于制造芯片制造过程中的关键部件——坩埚至关重要。由于气候变化，飓风、台风和其他极端天气事件预计将变得更加频繁和猛烈，扩大关键材料来源可能仍是供应链的首要任务。 值得注意的是，截至 2024 年底，美国及其盟友的出口限制措施中一个关键部分正在产生影响：对极紫外光刻机的限制似乎构成了一道障碍，阻止中国公司大规模生产先进节点芯片并获得可接受的产量。虽然使用较旧的深紫外技术制造了数量有限的先进工艺芯片，但良率很低，不经济，这种情况预计至少会持续到 2026 年。 需要明确的是，即使行业增长了近 20%，半导体供应链在 2024 年仍然运转良好。目前，没有理由相信 2025 年的供应链会缺乏弹性，但风险始终存在。考虑到人工智能芯片在 2025 年及以后的重要性（高达销售额的 50%，也许是75%），以及尖端芯片所需的处理器、内存和封装的相对更高集中度，该行业可能比以往任何时候都更容易受到供应链中断的影响。尽管由于各种芯片法案，该行业在地理上的集中度可能会降低——在岸外包、回岸外包、近岸外包和友岸外包等举措都还处于早期阶段——但至少在未来一两年内，该行业仍然非常脆弱。 需要考虑的战略问题： 鉴于不断变化的地缘政治环境和不断升级的出口限制，回流与离岸外包应该如何搭配？行业应如何考虑对曾经友好国家和盟友的现有供应链渠道合作伙伴关系（即友邦外包）的潜在破坏？ 由于不可预测的气候变化影响材料和零部件供应，再加上本已复杂的地缘政治格局，这一因素将如何影响全球数十个国家正在雄心勃勃规划和推广的前端晶圆厂和后端封装测试厂？ 如果贸易战继续升级，对人才的获取和供应意味着什么？出口限制是否会进一步扩大，并最终导致芯片竞赛中各国面临更广泛的人才流动挑战？ 鉴于有将生产活动转移到美国的动机，拥有芯片制造能力的国家将如何应对美国可能征收的额外关税？考虑到更高的成本，高附加值的生产活动是否是转移到美国的理想选择？美国公司是否会重新考虑其离岸制造投资和活动？ 5 未来的路标 展望2025年，半导体行业高管应留意以下迹象： 目前，人工智能在半导体方面的高额支出与企业能够将其人工智能产品货币化之间存在着不匹配的情况。对于 2025 年，“投资不足的风险大于投资过度的风险”这一论点似乎仍占主导地位，但如果这种态度发生转变，对人工智能芯片的需求可能会变得比预期的要弱。 来自敏捷芯片初创公司的竞争可能会加剧，对整个半导体行业的现有企业构成挑战。值得注意的是，人工智能芯片初创公司在 2024 年第二、第三和最后一个季度在全球范围内获得了累计 76 亿美元的风险投资，其中几家初创公司提供专业解决方案，包括可定制的基于 RISC-V 的应用程序、芯片、LLM 推理芯片、光子集成电路、芯片设计和芯片设备。 由于美国和其他主要市场的利率可能会进一步下降，有利的信贷环境可能会成为芯片行业并购的顺风，而该行业的并购在 2024 年已经出现上升趋势。此外，随着两个不同的芯片市场的发展（一个是人工智能芯片市场，另一个是所有其他类型芯片市场），该行业可能会经历并购和整合，尤其是当拥有宝贵知识产权的公司落后于同行并被视为有吸引力的目标时。尽管如此，全球范围内可能出现的更严格的监管和贸易冲突可能会抑制交易环境。 随着地缘政治挑战席卷全球，芯片公司应该做好应对进一步中断的准备。即使回流、友好外包和近岸外包势头强劲，传统的渠道合作伙伴模式和联盟关系也可能被颠覆。长期的地区冲突和战争可能会进一步影响重要材料和库存的流动。所有这些都可能扰乱半导体公司的需求计划，要求它们更加灵活，调整供应链和采购合同以及定价条款。 资本支出和收入的很大一部分是由人工智能和生产这些高度先进的人工智能芯片所需的先进晶圆推动的。然而，汽车、工业和消费领域的晶圆需求仍然低迷，而手机和其他消费产品的需求有所上升。到 2025 年和 2026 年，虽然总体收入和资本支出似乎继续呈上升趋势（至少在未来 9 到 12 个月内），但人工智能相关支出的任何下降趋势和零部件短缺都可能对更广泛的全球半导体和电子供应链产生不利影响。

TSV该怎么办？

从用于 MEMS 的大型 TSV 到用于背面电力输送的纳米 TSV，这些互连的经济高效的工艺流程对于使 2.5D 和 3D 封装更加可行至关重要。 硅通孔 (TSV) 可缩短互连长度，从而降低芯片功耗和延迟，以更快地将信号从一个设备传输到另一个设备或在一个设备内传输。先进的封装技术可在更薄、更小的模块中实现所有这些功能，适用于移动、AR/VR、生物医学和可穿戴设备市场。 TSV 最广为人知的用途或许是在高带宽内存中，与 DDR5 内存相比，DRAM 芯片堆叠越来越高，能够以更小的体积和更低的功耗更快地传输数据。TSV 最初用于 CMOS 图像传感器，但它们也支持与微机电系统 (MEMS)、RF 系统和新兴的逻辑器件背面电源方法的逻辑集成，该方法通过薄硅基板将电源连接到正面 CMOS 晶体管。TSV 的尺寸因应用而异，CMOS 图像传感器的 TSV 尺寸为几十到几百微米，硅中介层为几十微米，背面电源传输的 TSV 尺寸为 5nm 以下。 图 1：TSV 的尺寸范围从 µm 到 nm 直径，深度范围也很广。来源：imec 尽管 TSV 的制造已有数十年历史，但这些工艺流程的高成本限制了 TSV 在现有应用之外的广泛普及。随着通孔变得越来越窄、越来越深，制造成本也随之增加，因为更深的沟槽需要更长的时间来蚀刻，连续衬垫和阻挡金属更难沉积，而且必须更精确地控制镀铜以确保可靠的连接。因此，设备和材料供应商非常注重为各种应用生产一致、可靠的 TSV，同时降低成本。 一个关键的工艺考虑因素是 TSV 对周围区域施加的机械应力和热应力。通孔的纵横比（特征深度与直径之比）越大，制造工艺对周围硅片产生的拉伸应力就越大，这会影响载流子迁移率，进而影响晶体管的开关速度。这就是工程师们谈论所谓的“禁入区”的原因，禁入区是周围必须没有任何有源电路的区域。不幸的是，随着 I/O 数量的增加和 TSV 之间的间距越来越小，所需的禁入区不断缩小。在某种程度上，芯片布局正在从系统级优化 TSV 布局（系统级协同优化），以便更有效地利用宝贵的硅片空间。工程师们也在探索 TSV 邻近效应的原因，这有助于最大限度地缩小这个缓冲区的大小。 Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 表示：“中介层由硅制成，而 TSV 则用铜填充，因此 TSV 和中介层之间存在不同的膨胀。这意味着 TSV 的分布将决定物体的弯曲程度。理想情况下，您希望将这些 TSV 分布在一个完美的网格中，以便应力均匀地分散到各处，但 TSV 的放置方式并非如此。它们的放置是为了实现连接，这意味着您拥有 TSV 集群，然后是一些空隙。因此，TSV 分布将导致各处应力不对称。” 为了测试紧密排列的 TSV 是否会产生影响长期可靠性的应力，索尼的 Masaki Haneda 及其同事最近测量了三晶圆堆叠中的 TSV 邻近效应，这些堆叠中的 TSV 间距为 6µm，铜-铜混合键合连接为 1µm。研究人员表示：“特别是要以更密集和更精细的间距布局 TSV，了解 TSV 邻近效应对于最大限度地减少器件放置的禁入区非常重要。”他们将硅阱电阻放置在靠近第二晶圆上的 TSV 处，因为电阻对硅 TSV 邻近效应很敏感。在这种情况下，在测试了 TSV 中氧化物的应力诱导空洞和时间相关电介质击穿 (TDDB) 后，确保了高可靠性。 TSV 对可靠性问题的敏感性很大程度上归因于工艺问题。与体积小得多的 BEOL 铜互连类似物一样，TSV 制造所涉及的所有步骤都依赖于之前工艺的良好结果。“填充不良的 TSV，例如填充不足或填充有空隙的通孔，会导致产量损失，” Lam Research先进封装技术总监 CheePing Lee 表示。“填充不良是一个具有挑战性的问题，可以归因于多种因素，例如传入晶圆质量差（电镀前种子覆盖不连续），或电镀设备或化学问题。” TSV 的制作方法 电镀只是 TSV 工艺中的一个步骤。制造 TSV 总共需要五个工艺步骤。首先，通过光刻图案化定义沟槽特征，然后进行反应离子蚀刻 (RIE) 步骤，在硅基板上创建各向异性（大多为单向）沟槽。接下来，沿侧壁沉积一层薄 SiO2衬垫，防止硅受到铜污染。然后，使用 PVD、长距离 PVD 或可能的原子层沉积 (ALD) 沿通孔侧面和底部共形沉积 TaN 或 TiN 等阻挡金属。然后，使用电化学沉积 (ECD)（也称为电镀）将铜完全填充间隙。最后，使用化学机械平坦化 (CMP) 将顶部的铜覆盖层抛光掉。 值得注意的是，根据具体应用，TSV 中可以使用除铜以外的其他导体。多晶硅填充通常用于 MEMS，而钨填充可用于标准单元的背面电力传输连接。 硅的反应离子蚀刻 (RIE) 遵循 Bosch 方法，其中蚀刻（使用 SF 6气体）在多个重复循环中快速切换到钝化（C4F8）。蚀刻和沉积之间的这种切换会沿沟槽产生扇贝状轮廓。必须完全优化 RIE 工艺以创建光滑的通孔，从而实现所需的金属台阶覆盖率和低总电阻。沉积和蚀刻之间的更快切换可以加快该过程。 衬垫氧化物通常使用等离子增强 CVD 沉积。此外，整个 TSV 构建过程中都使用湿式清洁步骤，以确保在下一个工艺步骤之前清除所有工艺残留物和颗粒。 重要的是，TSV 流程可以在制造任何有源器件之前插入，这称为先通孔处理。中间通孔涉及在前端器件存在之后（线路前端）但在形成接触和金属互连（线路后端）之前进行 TSV 处理。第三种可能性是后通孔，发生在部分或全部后端互连到位之后。 CMOS 图像传感器是首批使用 TSV 的应用之一，它们采用后通孔方法。使用晶圆对晶圆混合键合将各个晶圆连接在一起后，TSV 流程在晶圆背面进行。先通孔 TSV 用于硅中介层，而中通孔或后通孔方法正在为新兴的 3D-IC 市场开发。 在任何 TSV 工艺步骤中都可能形成多种类型的缺陷，这些步骤包括光刻、深反应离子蚀刻 (DRIE)、氧化物衬垫沉积、阻挡金属沉积、铜种子、铜电化学沉积（电镀）和 CMP。电镀后，铜中的任何空隙都可能导致电阻升高、机械强度下降，甚至设备故障。需要注意的其他突出缺陷包括图案错位、沉积不均匀和填充不完整，这些缺陷可能会降低性能或成为长期可靠性风险。 随着 TSV 尺寸越来越小，薄阻挡层金属仍需要提供保形沉积，尽管批量生产中的低产量迄今为止使工艺流程中保留了更成熟的沉积工具，但 ALD 仍被视为一种替代方案。“原子层沉积是一种众所周知的技术，但挑战在于将 ALD 引入大批量环境，”Lam Research 客户支持业务集团和全球运营执行副总裁 Patrick Lord 在最近的一次演讲中表示。“随着尺寸不断缩小，接触点数量和接触电阻不断增加。ALD 工艺的改进使我们能够最大限度地增加导电材料的面积，以最大限度地降低电阻。挑战在于如何高效地完成这项工作。” 但并非每种应用都会将 TSV 工艺推向极限。以采用 TSV 的 8 层、12 层和 16 层 DRAM 堆栈为例，这些堆栈使用薄硅片两侧的微凸块进行连接。“对于 HBM，TSV 变得更小，但也更浅。纵横比保持在 10:1 左右，”Lee 说。“目前，重点是提高 TSV 形成设备的生产率，因为 TSV 制造成本高昂——例如，蚀刻速度更快，同时保持整个晶圆的通孔深度和轮廓均匀。” 电镀平台供应商寻求快速填充晶圆上的 TSV 沟槽，并实现晶圆与晶圆之间的一致性。此工艺优化需要工具制造商和材料供应商密切合作，开发在电镀槽中精确管理的专用 TSV 电镀化学品。电镀化学品包括可提高附着力并促进较小沟槽填充的整平剂。 TSV 流程的目标是持续创建低应力、无空隙的 TSV。TSV 技术可实现芯片间的高密度垂直互连，从而显著减小终端设备的三维尺寸。与长引线键合相比，较短的互连长度还可降低设备的功耗、提高数据传播速度并提高系统的可靠性。这就是 TSV 技术对 3D 技术的成功至关重要的原因。 TSV 流程还需要与后续焊料凸块、微凸块或混合键合互连紧密集成。机械和电气因素都会发挥作用。微凸块的关键参数包括 TSV/凸块/PCB 接口处的出色电阻率、一致的凸块高度（共面性）、无部分或完全损坏的凸块、凸块之间无短路等。 从整个系统的角度来看，行业需要时间才能从高端应用（例如与高带宽内存集成的 HPC 上的 SRAM）转向集成具有不同功能的多种设备（例如光子集成电路、逻辑和内存、射频和毫米波、电容器等）。封装级系统建模已经在进行中，这有助于构建有价值的原型，以帮助理解各种 3D 集成问题以及它们如何影响系统性能和可靠性。 Amkor公司负责芯片和倒装芯片 BGA 封装开发和集成的副总裁 Mike Kelly 表示：“封装组装中的虚拟制造使公司能够在创建物理原型之前评估设计变更对制造工艺的影响。这不仅加快了产品开发周期，而且还最大限度地降低了代价高昂的错误风险。” nSV 背面供电的出现是三大代工厂为 2nm 节点器件开发的一种新方法。通过在先进逻辑芯片中使用大约 15 层铜互连将电源与信号线隔离，背面配电可通过降低电压下降和 RC 延迟将功率损耗降低高达 30%。 背面供电至少有三种方法，每种方法的工艺复杂程度都在不断提高，但都具有更好的扩展性和性能优势。最激进的形式是在制造器件之前在鳍片之间创建纳米硅通孔（先通过）。最不激进的形式是将电源线向上铺设到已制造的器件上方（通过中间）。 “第一种方法是从正面到背面的 TSV 或接触。 因此，你可以想出不同的方法，但不可避免的是，你需要有 3D 空间来制作那个接触孔，”imec 高级研究员、研发副总裁兼 3D 系统集成项目总监 Eric Beyne 解释道。“它位于标准单元的 Vdd 和 Vss 边界处。这就是所谓的背面 TSV 的用武之地。” 这种金属触点可以从晶圆的正面创建，然后抛光硅片以露出触点。或者，该过程可以从晶圆的背面进行，并在正面进行抛光。“或者你可以采取中间步骤，就像我们展示的将纳米硅通孔置于埋入式电源轨上一样，”Beyne 说。 图 2：正面供电网络（左）至背面供电网络（中）至带有 nTSV 的 BSPDN。 来源：imec Imec 最近提出了不同的集成方案，Beyne 及其同事展示了 nTSV 先行和 nTSV 后行流程。这些工艺包括将硅片背面研磨至 5µm 厚度（最终为数百纳米）、晶圆间键合和光刻校正，以解决制造和键合热工艺造成的变形。最终的 nTSV 尺寸在 1µm 以下，深度为 5µm。 另一个问题是细间距金属层的电阻增加，这会增加 BEOL 中布线资源的使用，以低阻抗传输电力。这对 EDA 工具的布局布线效率造成了额外的限制。 结论 小芯片概念的出现和 3D 集成应用的不断增长引起了人们对硅通孔技术的极大关注。TSV 在硅中介层和三维 (3D) 异构集成方案中起着至关重要的作用。随着互连集成密度的不断提高，具有小临界尺寸 (CD) 和高纵横比 (AR) 的 TSV 的金属填充变得越来越具有挑战性和成本。因此，越来越多的趋势是研究高质量和低成本的方法来创建和填充更小、更深的 TSV，同时确保与其他芯片的出色连接，无论它们是连接到凸块、微凸块还是混合键合。 工具制造商和材料供应商将继续开发用于互连 3D 封装并最终用于 3D-IC 的下一代 TSV 解决方案。