人工智能 (AI) 和高性能計(jì)算 (HPC) 等應(yīng)用推動(dòng)了大算力芯片的需求激增，而隨著摩爾定律趨近極限，先進(jìn)封裝正逐漸成為提升芯片性能的關(guān)鍵。當(dāng)前2.5D、3D-IC、異構(gòu)集成、Chiplet等諸多先進(jìn)封裝技術(shù)幫助芯片設(shè)計(jì)人員在尺寸更孝功耗更低的芯片中提供更多功能，實(shí)現(xiàn)性能的飛躍。然而，這些技術(shù)進(jìn)步也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，它們對(duì)現(xiàn)有的制造工藝、設(shè)備和材料提出了更高的要求。
越來越多的先進(jìn)封裝涉及處于晶圓制造（“前道”）和芯片封測(cè)（“后道”）之間被稱為“中道”的工藝，包括重布線(RDL)、凸塊制作(Bumping)及硅通孔(TSV)等工藝技術(shù)，涉及與晶圓制造相似的光刻、顯影、刻蝕、剝離等工序步驟。其中，光刻技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，光刻設(shè)備已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)封裝領(lǐng)域的倒裝芯片結(jié)構(gòu)封裝的Bumping、RDL、2.5D/3D封裝的TSV等的制作之中。
如今，在板級(jí)封裝及高端IC載板(Substrate)制造領(lǐng)域，直寫光刻已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)光刻；在高端顯示、先進(jìn)封裝以及第三代半導(dǎo)體等領(lǐng)域，直寫光刻也開始嶄露頭角。在先進(jìn)封裝大潮之下，國(guó)內(nèi)直寫光刻技術(shù)龍頭芯微裝正以其卓越的性能和創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，為行業(yè)帶來突破性的變革。
先進(jìn)封裝來襲，直寫光刻嶄露頭角
以去年以來備受關(guān)注的臺(tái)積電CoWoS為例，它是一種2.5D封裝技術(shù)，由CoW和oS組合而來。先將芯片通過Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至硅晶圓，再把CoW芯片與基板（Substrate）連接，整合成CoWoS。該技術(shù)的核心是將不同的芯片堆疊在同一片硅中介層，以實(shí)現(xiàn)多顆芯片互聯(lián)。在硅中介層中，臺(tái)積電使用微凸塊（μBmps）、硅通孔（TSV）等技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)引線鍵合，用于裸片間連接，大大提高了互聯(lián)密度和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。根據(jù)采用的中介層不同，臺(tái)積電把CoWoS封裝技術(shù)分為3種類型：CoWoS-S（Silicon Interposer）、CoWoS-R（RDL Interposer）和CoWoS-L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）。
例如CoWoS被用于生產(chǎn)Nvidia、AMD、Amazon和Google等公司的高性能AI芯片，隨著AI芯片的晶體管數(shù)量不斷增加，且因?yàn)槭怯糜跀?shù)據(jù)中心和云計(jì)算，對(duì)尺寸要求不高，因此，未來的AI芯片很可能會(huì)越來越大。目前臺(tái)積電正在通過CoWoS封裝技術(shù)，開發(fā)比AMD的Instinct MI300X和英偉達(dá)B200面積更大的AI芯片，封裝面積已經(jīng)達(dá)到120mmx120mm。
芯微裝泛半導(dǎo)體銷售總監(jiān)潘昌隆指出，當(dāng)前臺(tái)積電主要使用的是CoWoS-S，隨著大面積芯片設(shè)計(jì)越來越多，中介層越來越多，掩模尺寸越來越大，當(dāng)中介層達(dá)到臺(tái)積電最大reticle的四倍以上（1X reticle≈830mm），高于其當(dāng)前中介層的3.3倍，就將轉(zhuǎn)向CoWoS-L。
芯微裝泛半導(dǎo)體銷售總監(jiān)潘昌隆
數(shù)據(jù)顯示，理論上EUV reticle限制為858mm（26 mm x 33 mm），因此通過拼接六個(gè)掩模將實(shí)現(xiàn)5148 mm的SiP。如此大的中介層不僅可以為多個(gè)大型計(jì)算小芯片提供空間，還可以為12堆棧HBM內(nèi)存留出足夠的空間，這意味著12288位內(nèi)存接口帶寬高達(dá)9.8 TB/秒。而構(gòu)建5148 mm SiP是一項(xiàng)極其艱巨的任務(wù)，目前Nvidia H100加速器，其封裝跨越一個(gè)中介層多個(gè)掩模大小，成本已經(jīng)高達(dá)30000 美元。因此，更大、更強(qiáng)大的芯片可能會(huì)進(jìn)一步推高封裝成本。
除了CoWoS-L，一些芯片設(shè)計(jì)公司也開始研究晶圓級(jí)系統(tǒng)(System on Wafer，SoW)，這類設(shè)計(jì)將整個(gè)晶圓作為一個(gè)封裝單元，邏輯、存儲(chǔ)與控制相關(guān)的芯片都需要通過封裝來集成，RDL的布線將會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，且RDL層數(shù)將會(huì)越來越高。
對(duì)于這兩大先進(jìn)封裝技術(shù)走向，潘昌隆表示，更大面積的芯片封裝將對(duì)傳統(tǒng)步進(jìn)式光刻機(jī)的使用帶來諸多挑戰(zhàn)。
一是掩模（mask）拼接問題。隨著封裝面積的增加，單一片掩模無法覆蓋整個(gè)芯片，需要使用多個(gè)掩模并進(jìn)行拼接。這增加了制造過程中的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致拼接處的對(duì)準(zhǔn)誤差，影響最終產(chǎn)品的性能和良率。而且封裝面積的增大可能會(huì)增加生產(chǎn)過程中的翹曲和缺陷，導(dǎo)致良率下降。特別是在掩模拼接區(qū)域，任何微小的誤差都可能影響整個(gè)芯片的性能。而隨著芯片集成化和大尺寸晶圓的使用，晶圓翹曲問題也愈發(fā)嚴(yán)峻，已成為影響先進(jìn)封裝可靠性的主要挑戰(zhàn)之一。
二是設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高，生產(chǎn)效率下降。大尺寸封裝設(shè)計(jì)需要更復(fù)雜的布線和層疊技術(shù)，如RDL層的布線將會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，且層數(shù)將會(huì)越來越多，這對(duì)設(shè)計(jì)工作和制造工藝都帶來了極高的挑戰(zhàn)。尤其大尺寸封裝設(shè)計(jì)需要在光刻機(jī)中切換掩模來進(jìn)行同層線路的曝光，這種頻繁的掩模切換會(huì)降低生產(chǎn)的效率，拉長(zhǎng)生產(chǎn)周期。
三是設(shè)備局限性。傳統(tǒng)的步進(jìn)式投影光刻設(shè)備掩模尺寸大多是26×33mm，可能沒有經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對(duì)大尺寸封裝的翹曲等問題。大尺寸封裝的光刻需要設(shè)備具備處理更大尺寸晶圓/載板和應(yīng)對(duì)翹曲等問題的能力。
潘昌隆表示，除了CoWoS和SoW等晶圓級(jí)封裝，F(xiàn)oPLP封裝技術(shù)也開始逐漸發(fā)力，步進(jìn)式光刻機(jī)在應(yīng)對(duì)這類大面積封裝同樣力不從心，而直寫光刻技術(shù)將會(huì)是最佳選擇。
在泛半導(dǎo)體領(lǐng)域，根據(jù)是否使用掩模版，光刻技術(shù)主要分為掩模光刻與直寫光刻。掩模光刻可進(jìn)一步分為接近/接觸式光刻以及投影式光刻。直寫光刻也稱無掩模光刻，是指計(jì)算機(jī)控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，無需掩模直接進(jìn)行掃描曝光。過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，掩模光刻技術(shù)是光刻工藝路線中的最佳選擇；但隨著成本日益高漲，未來，無掩模直寫光刻技術(shù)或?qū){借成本優(yōu)勢(shì)及行業(yè)布局逐漸受到行業(yè)關(guān)注。尤其在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，直寫光刻技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的市場(chǎng)潛力，正逐漸成為推動(dòng)行業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵力量。
直寫光刻如何改寫先進(jìn)封裝市場(chǎng)格局
芯微裝作為國(guó)內(nèi)直寫光刻設(shè)備的細(xì)分龍頭，隨著國(guó)內(nèi)中高端PCB與 IC載板需求的增長(zhǎng)及國(guó)產(chǎn)化率需求提升，正不斷加快在載板、先進(jìn)封裝、新型顯示、掩模版制版、功率分立器件、光伏電鍍銅等方面的布局。潘昌隆表示，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，芯微裝直寫光刻設(shè)備中除了無掩模帶來的成本及操作便捷等優(yōu)勢(shì)，在RDL、互聯(lián)、智能糾偏、適用大面積芯片封裝等方面都很有優(yōu)勢(shì)，設(shè)備在客戶端進(jìn)展順利，并已經(jīng)獲得大陸頭部先進(jìn)封裝客戶的連續(xù)重復(fù)訂單。
潘昌隆總結(jié)了直寫光刻技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)封裝的幾大優(yōu)勢(shì)。首先，掩模的制作往往耗時(shí)且成本高昂，直寫光刻技術(shù)不使用傳統(tǒng)步進(jìn)式光刻所需的掩模，通過數(shù)字化的方式直接在硅片上進(jìn)行圖案曝光，大大縮短了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到市場(chǎng)的時(shí)間，并顯著降低制造成本。并且直寫光刻技術(shù)能夠適應(yīng)復(fù)雜的RDL設(shè)計(jì)和多層封裝結(jié)構(gòu)，這在傳統(tǒng)的步進(jìn)式光刻中可能難以實(shí)現(xiàn)，客戶可以更靈活地調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同需求，特別是在研發(fā)或樣品開發(fā)階段。
其次，直寫光刻技術(shù)減少了掩模交換和拼接的需求，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，從而提高了生產(chǎn)效率。尤其隨著封裝面積的增大，如CoWoS-L和FoPLP等技術(shù)的發(fā)展，直寫光刻技術(shù)能夠有效應(yīng)對(duì)大尺寸封裝的挑戰(zhàn)。它能夠處理超出傳統(tǒng)掩模尺寸的大面積封裝設(shè)計(jì)，避免了掩模拼接問題，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)直接光刻自由多分割和智能漲縮模式應(yīng)對(duì)板級(jí)封裝中大尺寸多增層曲翹變形有著極佳的品質(zhì)。
最后，對(duì)于當(dāng)前追求國(guó)產(chǎn)化和減少對(duì)外部依賴的市場(chǎng)需求，大陸在先進(jìn)制程受限的情況下，正在加大力度發(fā)展類CoWoS、Chiplet等先進(jìn)封裝以彌補(bǔ)性能差距，在此背景下，直寫光刻技術(shù)提供了一種自主可控的解決方案，有助于降低供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
“隨著高性能大算力芯片要求不斷提高，先進(jìn)封裝技術(shù)如CoWoS-L和FoPLP的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。隨著大尺寸的RDL與SOW等未來產(chǎn)品的出現(xiàn)，直寫光刻技術(shù)憑借其在大尺寸封裝領(lǐng)域及成本方面的優(yōu)勢(shì)，將迎來廣闊的市場(chǎng)空間。”潘昌隆表示，目前芯微裝設(shè)備已實(shí)現(xiàn)低至2um的線寬距，涉及工藝包括垂直布線TSV、水平布線Bumping的RDL環(huán)節(jié)等，以靈活的數(shù)字掩模和高良品率滿足了先進(jìn)封裝客戶的要求，目前已有多臺(tái)設(shè)備交付客戶端，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能已經(jīng)得到驗(yàn)證。
值得注意的是，除了光刻制程，在晶圓切割、智能糾偏領(lǐng)域，直寫光刻也展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
潘昌隆指出，在芯片制造過程中，需要采用切割工藝對(duì)晶圓進(jìn)行劃片，然而傳統(tǒng)的金剛石切割、砂輪切割或激光切割會(huì)對(duì)晶圓造成較為嚴(yán)重的損傷，導(dǎo)致晶圓應(yīng)力、碎裂、芯片性能下降等問題。目前在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，高端的客戶開始采用深硅刻蝕(DRIE)工藝的等離子切割來取代傳統(tǒng)切割方法。不過DRIE需要一道曝光制程，但是此道曝光工藝不復(fù)雜，直寫光刻技術(shù)能夠直接在硅片或其他基底材料上繪制出精確的切割道，這些圖案可以是簡(jiǎn)單的直線、曲線或其他復(fù)雜幾何形狀，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更平滑和更精確的切割邊緣，減少刀切或激光切割等傳統(tǒng)切割方法可能引入的應(yīng)力和損傷。此外，由于直寫光刻使用的是數(shù)字光束和虛擬掩模，它不需要為每個(gè)不同的切割圖案制作和更換物理掩模，這大大節(jié)省了成本和時(shí)間。
另一個(gè)CoWoS典型場(chǎng)景是AI芯片中集成的多個(gè)HBM，需要將多個(gè)DRAM芯片進(jìn)行堆疊，形成大容量的存儲(chǔ)單元。直寫光刻技術(shù)在此過程中可以用于精確地繪制切割道，以便進(jìn)行芯片的切割和堆疊。相比傳統(tǒng)的切割方式，不僅提高了切割的精度，還有助于實(shí)現(xiàn)更緊密的芯片堆疊，從而提升存儲(chǔ)密度和性能。此外，直寫光刻技術(shù)還可以確保切割后的芯片表面平整度高，這對(duì)于后續(xù)的混合鍵合（hybrid bonding）等工藝至關(guān)重要。
“直寫光刻技術(shù)在這兩種切割場(chǎng)景中的應(yīng)用，不僅可以提高切割的精度和質(zhì)量，還可以減少生產(chǎn)成本和時(shí)間，提高整體的生產(chǎn)效率。”潘昌隆強(qiáng)調(diào)，“通過直寫光刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計(jì)調(diào)整和更快速的產(chǎn)品迭代，滿足市場(chǎng)對(duì)高性能、高密度芯片的需求。”
除此之外，直寫光刻技術(shù)也越來越多地用于智能糾偏。
潘昌隆解釋，由于目前在先進(jìn)封裝的晶圓重構(gòu)封裝中存在三大技術(shù)難點(diǎn)，第一是芯粒偏移(Die Shift)，這是指在芯片轉(zhuǎn)移過程出現(xiàn)了偏位、漲縮等情況從而導(dǎo)致實(shí)際的芯粒位置和預(yù)設(shè)位置產(chǎn)生了偏差，進(jìn)而需要糾偏；第二是翹曲(Warpage)，這是由EMC材料和硅片的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的形變，會(huì)導(dǎo)致曝光不良；第三是殘膠(Residue)。對(duì)于芯粒的偏移問題，直寫光刻技術(shù)可以通過更改布線或PI層或凸點(diǎn)糾偏的圖形矯正以保證RDL層圖形的精度。此外，在FoWLP的貼片工藝中，基于直寫光刻的PI糾偏方案可以很好地縮小貼片機(jī)的貼片誤差。因此，在晶粒偏移、襯底翹曲、基片變形等領(lǐng)域，直寫光刻技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)整能力，使之具有良率高、一致性好的優(yōu)點(diǎn)。
由于直寫光刻相較于步進(jìn)式光刻的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在無需物理掩模就可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖案調(diào)整、提升生產(chǎn)效率與良率等方面，因而能夠適應(yīng)多層和大尺寸封裝的復(fù)雜糾偏需求。其靈活性和高精度糾偏能力，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了成本，并支持了先進(jìn)封裝技術(shù)的快速發(fā)展，滿足市場(chǎng)對(duì)高性能、高密度芯片的需求。
機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存，直寫光刻生態(tài)鏈正在重塑
根據(jù)Yole和集微咨詢的預(yù)估，2022-2026年全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將從379億美元增長(zhǎng)至482億美元，CAGR達(dá)到6.2%。未來先進(jìn)封裝技術(shù)在整個(gè)封裝市場(chǎng)的占比正在逐步提升，3D封裝、扇型封裝(FOWLP/PLP)、微間距焊線技術(shù)，以及系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等技術(shù)的發(fā)展成為延續(xù)摩爾定律的重要途徑。
同時(shí)，Yole也預(yù)測(cè)，在IC先進(jìn)封裝領(lǐng)域內(nèi)，激光直寫光刻設(shè)備將在未來三年內(nèi)逐步成熟并占據(jù)一定市場(chǎng)份額，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。誠(chéng)然，直寫光刻技術(shù)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域開始嶄露頭角，但目前距離大規(guī)模量產(chǎn)使用仍需要克服一系列技術(shù)和市場(chǎng)方面的挑戰(zhàn)。
潘昌隆指出，首先，隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光刻精度的要求越來越高。直寫光刻技術(shù)需要進(jìn)一步提升其解析度，以滿足更小線寬和更高密度的封裝需求。其次，直寫光刻在良率和產(chǎn)速(UPH)等方面尚不能完全與步進(jìn)式光刻媲美，而良率的瓶頸主要在于市場(chǎng)上仍然沒有專門為直寫光刻開發(fā)的光刻膠以及配套的光源。傳統(tǒng)的光刻膠和介質(zhì)層材料是為步進(jìn)式光刻機(jī)設(shè)計(jì)的，直寫光刻技術(shù)需要與這些材料更好地匹配，以確保光刻質(zhì)量和效率。最后是許多封裝客戶對(duì)直寫光刻技術(shù)仍然缺乏了解，需要更多的市場(chǎng)教育和技術(shù)普及來提高客戶的認(rèn)知度和接受度，并且如何在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中突出芯微裝的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)并贏得客戶信任也是一大挑戰(zhàn)。
隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在先進(jìn)制程領(lǐng)域發(fā)展受限，對(duì)先進(jìn)封裝的需求與日俱增，目前大陸在類CoWoS等2.5D、3D封裝領(lǐng)域的研發(fā)正在加速挺進(jìn)。芯微裝在推動(dòng)先進(jìn)封裝領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化方面，制訂并采取了一系列切實(shí)有效的計(jì)劃和措施。
“本土化研發(fā)是芯微裝的核心戰(zhàn)略之一。公司建立了強(qiáng)大的本土研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專注于技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)，確保技術(shù)能夠及時(shí)響應(yīng)國(guó)內(nèi)客戶的需求。通過本土化研發(fā)，芯微裝能夠快速適應(yīng)市場(chǎng)變化，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。”潘昌隆表示，“在提升直寫光刻良率、生產(chǎn)效率等方面，芯微裝也與國(guó)內(nèi)上下游產(chǎn)業(yè)鏈建立了密切的合作。例如在配套的光刻膠上，芯微裝正與日系、大陸的i線、KrF光刻膠廠商密切合作，進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證、配方調(diào)整等工作，提升量產(chǎn)可行性。與此同時(shí)，芯微裝還與國(guó)內(nèi)封裝廠、設(shè)計(jì)公司和晶圓廠等建立了緊密的合作關(guān)系，了解客戶需求和使用反饋，為他們提供定制化的解決方案。”
值得一提的是，芯微裝致力于提高零部件的國(guó)產(chǎn)化比例，目前90%以上的零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。這不僅減少了對(duì)進(jìn)口零部件的依賴，增強(qiáng)了供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，還降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
隨著技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)的逐步認(rèn)可，整個(gè)生態(tài)鏈將被重塑，在生態(tài)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，從材料供應(yīng)商到設(shè)備制造商，再到最終的封裝企業(yè)，都開始積極適應(yīng)這一變革，探索與直寫光刻技術(shù)相適應(yīng)的新產(chǎn)品、新工藝和新解決方案。這種跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的合作，將進(jìn)一步加速直寫光刻技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。
相信直寫光刻不僅將在先進(jìn)封裝領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，而且將成為重塑國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要推手。
