一個視頻帶你認識什麼是先進封裝

這是英特爾前幾年發佈的旗艦處理器 i9-13900KS 打開頂蓋，中間的這個小方框就是芯片本體 它是一個硅片，上面雕刻了數十億個晶體管和錯綜複雜的走線 但是這個硅片上的觸點太小了 我們沒有辦法把它直接安裝到主板上 所以，工程師們做了一個這樣的底座 將硅片焊接到底座上 底座內部有多層走線 可以把硅片上的引腳引導到底座的背面 這樣，你就可以通過這個底座把芯片安置到主板上面 當然，爲了能夠進一步保護硅片，也會在上面加一個頂蓋 這個底座一般被稱之爲基板 製作一塊這樣的基板 並且把芯片焊接到上面的過程，就是所謂的封裝 在過去，封裝屬於半導體行業的幕後角色 技術成熟，利潤也不算高 但是就在最近幾年 封裝突然從配角變成了主角 整個行業都在談論着所謂先進封裝的技術 一個包芯片的技術，爲什麼突然變得這麼重要呢？ 那麼本期視頻我們就來說一說 先進封裝是怎麼回事 一鍵三連，我們開始 要想了解先進封裝 我們首先需要知道不那麼先進的常規封裝是怎麼回事 這款 i9-13900KS 就屬於常規封裝的代表 那麼我們就先來看看它的基板是怎麼一回事 要想製作一個這樣的基板 我們需要先製作它的核心骨架 取一張由玻璃纖維編織而成的布 這種布在行業裏邊叫做電子級玻璃纖維布 簡稱電子布 我們將這張電子布浸上有機樹脂 然後進行烘烤 讓樹脂發生半固化反應 此時樹脂並沒有完全硬化 而處於一種半固化的狀態 這種材料的英文叫做 prepreg 行業裏邊也叫做 PP 片 之後我們取來兩張銅箔，把 PP 片夾在中間，然後進行壓制 在壓制的過程中，PP 片中的樹脂會受熱重新流動 然後完全固化，和兩邊的銅箔牢牢粘在一起 此時這個兩邊被銅箔覆蓋的硬板就叫做覆銅板 之後我們就可以在它上面製作電路了 先在覆銅板表面貼上一層感光膜，然後將電路蒙板蒙上來 行業裏會管這個電路蒙板叫做菲林，其實就是 film 的音譯 再用紫外光照射，被光照射的感光膜就會變性 再使用顯影藥水，就可以把沒有照射過的部分清洗下去 此時一部分的銅箔就會裸露出來 再把板子泡進刻蝕液裏 裸露的銅就可以被腐蝕掉 而被感光膜覆蓋的銅就可以被保留 最後將剩餘的感光膜去掉，電路就做出來了 如果你按照這個流程，將多層電路製作到多個覆銅板上面 再把它們堆疊起來 然後每層之間都插入一張PP片 再進行壓制 這樣就可以把多層電路做到一起 那麼這種工藝做出來的就是我們平常看到的PCB電路板 注意，是PCB電路板 不是我們今天要說的基板 這種工藝有個問題 它是通過腐蝕掉部分的銅箔來形成電路的 所以這種方法就叫做減成法 這種減成法在腐蝕的過程中 也會對銅箔的側面產生嚴重的腐蝕 例如，你要把厚度爲35微米的銅腐蝕掉 那麼側面也一定會發生同樣嚴重的腐蝕 這就讓電路的線寬無法做得太細 精度上不去，走線密度也上不去 這種工藝用來製作PCB電路板是足夠的 但是用來製作承載芯片的基板就不夠用了 所以在基板的製作流程中 這種工藝只會用來做最中間的兩層電路 這兩層可以用來走供電或者信號屏蔽等對精度要求不高的線路 而其他層電路則會使用一種精度更高的工藝 在使用減成法製作好最內層的兩層電路之後 我們需要往做好的電路上面貼上一層ABF薄膜 ABF全稱 Ajinomoto Build Up-Film 中文叫做味之素基層膜 Ajinomoto就是日本的味之素公司 就是發明瞭味精的那個味之素 他們在鼓搗味精之餘也喜歡鼓搗鼓搗別的東西 就發現了這種材料 這種材料表面平整熱膨脹係數低並且絕緣性也非常好 在貼上這層ABF薄膜之後就可以製作下一層電路了 當然為能夠讓各層電路連接起來 我們需要先用激光在ABF薄膜上打出孔洞 然後把板子泡進含鈀的活化液裏 讓鈀附著在ABF薄膜和孔壁表面 之後再把板子泡進以硫酸銅和甲醛為主要成分的化學鍍銅液中 在鈀的催化作用下 甲醛會把銅離子還原成金屬銅 沉積在ABF薄膜和孔洞表面 形成一層非常薄的銅膜 其厚度大約只有1微米左右 之後再貼上一層感光膜 然後再用紫外光透過電路蒙板進行曝光 然後再使用顯影液把沒有照射過的區域清洗下來 此時部分的銅膜就會露出來，因爲銅膜是導電的 所以此時就可以使用電鍍工藝將裸露區域的銅大幅增厚 同樣，剛纔用激光打出來的孔洞也會被銅填滿 之後將剩餘的感光膜沖洗掉 此時，這個銅層有的地方厚，有地方薄 接着，我們再把板子泡進刻蝕液裏，對整個銅層進行刻蝕 銅層薄的地方只有一微米左右，所以很快就被腐蝕乾淨了 而銅層厚的地方雖然也會被腐蝕 但是因爲厚，所以大部分都會保留 這個過程只需要把薄的地方腐蝕掉就行，所以持續的時間很短 一般也就幾十秒到一兩分鐘左右，所以這個過程也叫做閃蝕 這種工藝是在薄膜表面通過電鍍讓電路生長出來 最後再用極短的閃蝕去掉多餘的薄銅 所以這種方式就叫做半加成法 半加成法的閃蝕流程雖然也會對電路的側面產生腐蝕 但是因爲持續的時間很短，所以並不嚴重 這就讓半加成法的精度更高，走線可以更密集 此時這一層的電路就製作完成了 在這一層電路上面還可以再覆蓋ABF薄膜 再用半加成法制作下一層電路 同樣，這塊板子的背面也可以用一樣的工藝製作出來多層電路 這樣一個基板就做好了 這種基板在製作的時候 大量用到了ABF薄膜、有機樹脂等材料 所以一般管它叫做ABF基板 或者直接叫做有機基板 這種有機基板上的走線 線寬線距一般在10個微米上下 對於像i9-13900KS這樣 前幾年發佈的芯片來說是夠用的 但是對於今天的芯片來說就不夠用了 那麼這幾年芯片行業發生了什麼事情呢？ 在i9-13900KS發佈後的一年也就是2024年 英特爾發佈了Ultra 9-285K 同樣打開頂蓋我們能夠看到芯片本體 但是仔細看這塊芯片上面有幾條明顯的縫隙 反觀13900KS 它的芯片表面則是完整光滑的一整塊 這是因爲24年發佈的285K是由多個小芯片拼接而成的 這幾條縫隙其實就是各個小芯片的邊界 這種將多個芯片集成到一起的做法 在當下的半導體領域越來越常見 不只是CPU, GPU更是如此 我們上一期視頻介紹過的HBM 就是將顯存芯片拼接到了GPU核心的周圍 對於Ultra 9 285K來說 把不同模塊拆開分別製造能夠有效控制成本和良率 如果所有的模塊全做在一大塊硅片上 只要中間有一個缺陷, 整顆芯片就報廢了 但把它們拆成幾塊小芯片分別製造 每塊的面積小了，良率就能大幅提升 就算其中一塊出現了問題 也只是報廢這一塊，不會連累到其他模塊 總的成本自然就降下來了 而對於HBM來說 和GPU拼接在一起，能夠極大提升和GPU交換數據的速度 而且HBM的內部就是由多層DRAM芯片豎直拼接在一起的 這樣能在有限的空間裏面極大提升HBM的容量 總之，拼好芯的做法在今天是一個必然的趨勢 越來越多的企業在使用這種方式來製造芯片 但是這種做法會引起一個問題 那就是各個小芯片之間是需要通訊的 這就需要將各個模塊連接起來 而這個連接的任務就交給了封裝流程 原來的封裝只需要解決芯片和外部連接的問題 而現在封裝還需要解決芯片內部不同模塊之間的通訊 這就是所謂的先進封裝 芯片之間的數據通訊需要的走線密度是非常高的 例如HBM和GPU之間 爲了保證1024比特的數據位寬 再加上地址控制電源 總共需要大約4000個連線 這麼高的走線密度，有機基板是無法滿足的 所以工程師們採取的辦法就是直接做一塊大的硅片 然後用製作芯片的技術在上面做出來多層走線 HBM顯存和GPU芯片就可以直接焊接到這個硅片上 這樣HBM就可以通過這個大硅片和GPU互聯 這片專門負責牽線搭橋的大號硅片就叫做硅中介層 硅中介層本質上就是一片沒有晶體管電路的芯片 它可以用芯片廠成熟的光刻 刻蝕和薄膜沉積工藝做出非常精密的金屬線路 這些線路可以輕鬆做到一個微米以下，甚至是幾百納米 也就是說，在同樣大的面積裏 硅中介層能容納的走線數量是有機基板的幾十倍，甚至上百倍 而除了負責芯片之間的通訊之外 硅中介層還需要把信號引到背面 再連接到有機基板上 這就需要在硅中介層打出貫穿硅片的垂直孔洞 並且在孔洞裏填充上銅 這就是TSV硅通孔技術 具體的打洞工藝是一種叫做深反應離子刻蝕的技術 大家可以翻閱我上一期有關HBM的視頻 硅中介層經過打洞之後，就可以進一步焊接到有機基板上面 這樣芯片就可以通過這些孔洞連接到有機基板上 進而就可以被焊接到主板上 這種封裝工藝通過一個硅中介層將芯片連接起來 雖然硅中介層和芯片是豎直堆疊的 但是被集成的芯片還是水平放置的 所以這種封裝技術也叫做2.5D封裝 不只是HBM芯片 就像我們剛才說的 Intel Ultra 9 285K 其實也是這樣的做法 只不過 Intel 這個互聯層不叫做 硅中介層，而叫做 BaseTile 當然硅中介層也並不是完美的 硅中介層最大的問題就是它是使用芯片的工藝製造出來的 所以製造它就需要佔用寶貴的芯片產能 這就導致硅中介層的成本很高 這就讓行業誕生了很多替代方案 比如不再做一整片大的硅片 而只做幾條細長的硅橋 在有機基板層壓時直接嵌入到需要高密度互聯的位置下方 芯片需要互聯的地方就恰好在硅橋的上方 通過硅橋來實現局部的高速互聯 而行業目前還在探索使用玻璃來製作互聯層 就是在玻璃上佈線、打孔 以求取得在精度和成本上的平衡 目前英特爾在大力推進玻璃核心基板 想用玻璃取代有機基板的核心層 解決大面積基板的翹曲和佈線密度問題 而臺積電則在探索玻璃中介層 想使用玻璃替代硅中介層 降低成本的同時保持高精度互聯 不過玻璃的工藝還有比較長的路要走