芯片三维封装技术的最新研究成果

芯片三维封装技术是将多个芯片在垂直方向堆叠并封装成一个整体的技术，这种技术是当前集成电路封装领域的研究热点，有着诸多最新的研究成果。

随着芯片复杂度不断增加，芯片面积、良率和复杂工艺之间的矛盾难以调和，3D封装成为必然的发展趋势。例如，AMD通过3D封装技术将不同工艺的小芯片集成，其霄龙处理器系列通过将io Die采用成熟工艺（如14nm），CPU采用最新的7nm工艺集成，提高了芯片良率，并通过3D V - cache技术在第三代霄龙产品中，在每个CPU Die上集成额外的Level 3缓存，提升了处理器性能。英特尔也推出了复杂芯片Ponte Vecchio，通过5种不同工艺将超过1000亿个晶体管、47颗小芯片集成到一颗大芯片上，这些都展示了3D封装技术在提升芯片性能和集成度方面的成果。

在新的技术创新方面，北京大学黄如院士团队提出了全新的倒装堆叠晶体管（Flip FET，FFET）技术，开创性地提出了双面有源区（Dual - side Active）和双面互连（Dual - side Interconnects）的概念，为单芯片三维集成开辟了新的篇章。

此外，叠层3D封装因具有集成度高、质量轻、封装尺寸小、制造成本低等特点而受到关注，在满足电子产品朝小型化、高密度化、高可靠性、低功耗方向发展方面具有重要意义。

TSV及TGV在芯片三维封装中的应用进展

TSV（Through - Silicon - Via，硅通孔）和TGV（Through - Glass - Via，玻璃通孔）技术是芯片三维封装中的关键技术。

TSV主要用于实现垂直方向上的信号连接。在实际应用中，TSV技术已经取得了不少进展。例如，在光芯片与电芯片的垂直电互连方面，首次使用中道封装工艺在硅光SOI晶圆上集成TSV，完成悬臂梁端面耦合器与TSV工艺兼容性整合，实现了光芯片与电芯片的垂直电互，并且TSV与互测试结构插损S21≤ - 0.35dB@67GHz，端面耦合损耗实测2.18dB 。同时，我国头部封测企业，如长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技已有采用TSV技术封装的产品批量出货，展示了TSV技术在产业化方面的进展。

TGV技术方面，它在多个领域具有独特优势并逐步走向应用。Menlo通过与其他公司合作展示了整合的TGV封装技术，使其高性能RF和功率产品扩展至超小型晶圆级封装。在国内，沃格光电大力推进TGV技术在高算力服务器领域的应用。TGV技术在射频芯片、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域也具有优良的电学、热学、力学性能，适用于这些领域的封装需求。

在三维互连方面，通过垂直方向上的TSV/TGV技术与水平方向上的RDL（再布线层）技术的配合，可将不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet异质集成到1个封装体中，从而提高带宽和电源效率并减小延迟，为高性能计算、人工智能和智慧终端等提供小尺寸、高性能的芯片。

全球芯片三维封装(TSV及TGV)技术的发展趋势

从目前的研究和市场情况来看，全球芯片三维封装技术（TSV及TGV）呈现出多方面的发展趋势。

一、向更高密度的集成发展 随着人工智能、高性能计算等领域对芯片性能要求的不断提高，芯片三维封装技术需要实现更高的集成度。通过TSV及TGV技术，能够在垂直方向上堆叠更多的芯片，将不同功能、制程的芯片集成在一起，从而在不增加封装体尺寸的情况下，大大提高芯片的功能密度。例如，在AI芯片的封装中，为了满足其高性能计算需求，需要集成更多的计算单元、存储单元等不同功能的芯片，而三维封装技术正好提供了这样的可能。像英伟达、AMD等公司的新一代AI芯片均采取以TSV为核心的封装技术，未来有望进一步提高集成密度以提升芯片性能。

二、追求更低的成本和更高的效率 在商业竞争日益激烈的芯片市场，降低成本和提高生产效率是关键。一方面，随着TSV及TGV技术的不断成熟，其制造工艺的成本有望降低。例如，TGV技术中的大尺寸超薄玻璃衬底易获取，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8，这有助于降低封装成本。另一方面，通过提高封装的效率，如优化TSV和TGV的制造工艺、提高互连的速度和可靠性等，可以缩短芯片的生产周期，提高生产效率。

三、在更多领域的应用拓展 芯片三维封装技术（TSV及TGV）目前已经在一些领域有了应用，如存储芯片等，但未来其应用领域将不断拓展。在物联网领域，随着设备的小型化和多功能化需求，三维封装技术可以将传感器、处理器、通信芯片等集成在一起，满足物联网设备的需求。在消费电子领域，如智能手机、平板电脑等，三维封装技术有助于提高设备的性能并减小尺寸。此外，在医疗、汽车等领域，也对高性能、小型化的芯片有需求，三维封装技术将在这些领域找到更多的应用场景。

四、TGV技术的逐渐兴起 与TSV技术相比，TGV技术具有一些独特的优势，如低成本、大尺寸超薄玻璃衬底易获取、高频电学性能优异等。随着研究的深入，TGV技术有望在部分场景下替代TSV技术，成为三维封装领域的重要发展方向。目前全球先进封装市场规模在新技术的影响下快速扩容，TGV技术将在其中占据重要地位，例如在AI + Chiplet趋势下，TGV有望在部分场景下替代TSV，进而成为AI时代先进封装核心演进方向之一，其远期成长空间广阔。

芯片三维封装(TSV及TGV)技术的突破与创新

一、TSV技术的突破

1. 工艺制程方面

• 在TSV的制作工艺上不断取得进展，例如实现更小尺寸的TSV制作。如采用“正面后通孔”TSV工艺技术，实现5μm x 60μm TSV的制作，这有助于提高芯片的集成度。更小的TSV尺寸意味着在相同的芯片面积上可以容纳更多的通孔，从而实现更多的垂直连接，有利于提高芯片内部信号传输的效率和速度，并且可以在不增加芯片封装体积的情况下集成更多的功能模块。

• 在TSV与其他工艺的兼容性方面也有突破。如在硅光SOI晶圆上集成TSV，完成悬臂梁端面耦合器与TSV工艺兼容性整合，这一突破使得光芯片与电芯片能够更好地进行垂直电互连，为光 - 电混合集成芯片的发展提供了技术支持，拓宽了TSV技术在光通信、光电集成等领域的应用前景。

2. 互连性能提升方面

• 在TSV的互连性能上不断优化，降低信号传输的损耗。通过改进TSV的材料、结构以及与周围电路的连接方式等，减少信号在垂直传输过程中的衰减和干扰。例如在一些高速通信芯片的封装中，优化后的TSV结构能够有效降低信号传输延迟，提高数据传输的带宽，满足高速信号传输的需求。

二、TGV技术的创新

1. 成孔技术创新

• TGV技术的成孔技术是其关键技术之一。激光诱导刻蚀技术因其成孔质量均匀、一致性好、无裂纹、成孔速率快等优点在成孔技术中脱颖而出。这种创新的成孔技术使得TGV的制造更加高效和可靠，有助于提高TGV的产量和质量，为TGV技术的大规模应用奠定了基础。通过激光诱导刻蚀技术，可以在玻璃基板上精确地制造出符合要求的通孔，并且能够保证通孔的电学性能和机械性能，在满足不同封装需求方面具有很大的优势。

2. 性能优势发挥方面

• TGV技术利用玻璃基板的特性实现了多项性能的提升。与硅基板相比，玻璃材料没有自由移动的电荷，且其介电常数在5左右，仅为硅的三分之一，可以有效避免TSV技术中硅基板对于电子传输的影响，从而提高电子传输的效率。此外，TGV技术无需制作绝缘层，降低了工艺的复杂度和加工成本。同时，大尺寸超薄玻璃易于获取，玻璃转接板的制作成本大约只有硅基转接板的1/8，而且玻璃稳定的机械性能实现了非常高的超大尺寸封装良率，玻璃基板大尺寸稳定性以及可调节的刚性模量使其通孔密度是原先硅基板的10倍，提高芯片封装密度。

三、TSV与TGV技术配合的创新

• 在芯片三维封装中，TSV和TGV技术与水平方向的RDL技术配合，实现了芯片的三维异质集成。这种多技术的协同创新可以将不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet集成到一个封装体中。例如，在高性能计算芯片的封装中，可以将计算芯片、存储芯片等不同功能和制程的小芯片通过TSV/TGV与RDL技术的配合，集成到一个封装体中，从而提高带宽和电源效率并减小延迟，为高性能计算、人工智能和智慧终端等提供小尺寸、高性能的芯片，这是芯片三维封装技术在架构层面的创新，突破了传统二维封装在功能集成和性能提升方面的局限。

近期芯片三维封装(TSV及TGV)技术的行业报告

一、关于TGV技术的市场前景报告 根据Yole数据，2021 - 2026年全球先进封装市场规模将从350亿美元增长至482亿美元，CAGR（复合年增长率）将超过行业年复合增速（4.34%）达到6.61%。TGV技术在这个增长的市场中具有重要地位。随着AI芯片尺寸和封装基板的不断增大，对于封装技术的要求也越来越高，而TGV技术被认为是下一代三维集成的关键技术。

二、TGV技术在AI领域的应用及潜力报告 在AI + Chiplet趋势下，TGV技术有着广阔的发展空间。目前英伟达H100、AMD MI300、壁仞科技BR100等新一代AI芯片均采取以TSV为核心COWoS封装，但由于TGV对TSV存在一定优势，TGV有望在部分场景下替代TSV，进而成为AI时代先进封装核心演进方向之一，叠加大模型推动之下加速计算芯片需求高增，TGV远期成长空间广阔。例如国内沃格光电大力推进TGV技术在高算力服务器领域的应用，并且玻璃芯载板长期潜力巨大，假以时日或与ABF分庭抗礼。除玻璃转接板外，TGV另一重要应用为玻璃芯载板，在Al+Chiplet风潮之下产业转向大尺寸封装及小芯片设计，封装材料要求与日俱增的情况下，TGV技术的应用将不断拓展。

三、TGV技术的技术难点及国内外发展情况报告 TGV技术虽然是TSV技术的升级，但由于基板材料技术相差甚远，原有成熟的TSV技术无法直接应用在TGV技术。成孔技术成为制约TGV技术量产的关键问题。不过目前业界通过激光诱导刻蚀得到了良率稳定、性能优秀的玻璃通孔，有望短期实现量产。全球TGV技术处于起步阶段，国内外技术水平相近，不存在寡头垄断现象。国内沃格光电作为全球少数掌握成熟TGV技术的企业，大力推进TGV技术在高算力芯片领域的应用，其全资子公司湖北通格微今年布局了100万平方米产能来应对玻璃基板在各领域应用需求。另外国内各激光设备厂商的研发水平也均处在行业领先地位。

芯片三维先进芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

·          运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。