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晶圆代工厂台积电开创了多个先进封装技术

[发布日期:2020-10-30 15:36:51] 点击:


 

  台积电开创了多个先进封装技术

  对先进封装技术的审时把握是如今台积电独领风骚的重要一环,也是台积电甩开三星、英特尔的主要差异点。自2011年台积电引入CoWoS作为用于异构集成的硅接口的高端先进封装平台以来,从InFO(及其多个版本的InFO- os、InFO- aip)到SoIC,再到3D多栈(MUST)系统集成技术和3D MUST-in-MUST (3D- mim扇出封装)等一系列创新。

  对先进封装技术的重视,台积电是第一人。早在2011年的台积电第三季法说会上,张忠谋就宣布台积电要进军封装领域,其第一个产品,叫做“基片上晶圆封装”(CoWoS),就是将逻辑芯片和DRAM放在矽中介层(interposer)上面,然后封装在基板上。

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  在2012年,TSMC与Xilinx一起推出了当时大的FPGA,它由四个相同的28nm FPGA芯片并排安装在硅中介层上。他们还开发了硅通孔(TSV),通过微凸点和再分布层(RDL)将这些构件相互连接。这就是采用CoWoS封装技术的产品。这种基于block和EDA支持的封装技术已成为高性能和高功率设计的行业标准。当今常见的应用是将CPU / GPU / TPU与一个或多个高带宽内存(HBM)组合在一起。

  CoWoS封装技术主要目标是人工智能、网络和高性能计算应用,台积电投入CoWoS(基板上晶圆上芯片封装)制程研发到量产已有将近10年时间,发展到现在,CoWoS已是一种非常成熟的技术,具有非常高的产量,已经批量生产超过五年。台积电现在先进的CoWoS技术已可在芯片及基板的中介层(interposer)中达到5层金属层(metal layers)及深沟槽电晶体(DTC)。

  台积电于2017年宣布了集成式FanOut技术(InFO)。它使用聚酰胺薄膜代替CoWoS中的硅中介层,从而降低了单位成本和封装高度,这两项都是移动应用的重要标准。InFO封装技术主要是针对手机芯片打造的,对于5G移动平台,TSMC具有用于移动应用InFO_POP,用于RF前端模块应用的InFO Antenna-in-package(InFO_AiP)以及用于RF前端模块的多堆栈(MUST)。苹果A系列应用处理器是InFO_PoP封装最大客户。台积电已经出货了数千万个用于智能手机的InFO设计。

  台积电2017年开始将InFO_oS技术应用在HPC芯片并进入量产,预估2020年InFO_oS技术可有效整合9颗芯片在同一芯片封装中。至于应用在人工智能推理芯片的InFO_MS技术在去年下半年认证通过,可支援1倍光罩尺寸中介层及整合HBM2记忆体。

  另外,台积电还在持续扩大整合型扇出晶圆级封装(InFO WLP)应用,继2019年完成整合型扇出暨基板(InFO_oS)、整合型扇出暨记忆体及基板(InFO_MS)等先进封装技术认证及进入量产阶段,台积电再针对高效能运算(HPC)晶片推出InFO等级的系统单晶圆(System-on-Wafer,SoW)技术,能将HPC芯片在不需要基板及PCB情况下直接与散热模组整合在单一封装中。

  CoWoS和InFO都属于2.5D IC封装技术,台积电在3D IC封装上还有SoIC及WoW。

  2018年,在美国加州圣克拉拉举行的第24届年度技术研讨会上,台积电宣布推出晶圆堆栈(Wafer-on-Wafer,简称 WoW)的技术。藉由这样的技术,GPU业者包括英伟达(Nvidia)及AMD都将会受惠,他们不再需要通过增加芯片物理尺寸,或缩小制造工艺来达到提升产品性能的目的。台积电的目标是把WoW用在未来的7纳米和5纳米制造工艺。

  SoIC是台积电的下一代“真正的”3D封装技术。因看好未来 5G、人工智能、高效能运算(HPC)等新应用,而且芯片设计走向异质整合及系统化设计,台积电不断扩大先进封装技术研发,于2019年推出了集成芯片系统(SoIC)技术。SoIC是一种创新的多芯片堆叠技术,可用于10nm及以下芯片的晶片粘接。SoIC技术是将多个 dice堆叠到“ 3D构件”(又称为“ 3D小芯片”)中的一种非常强大的方法。与典型的带有微凸点的3DIC解决方案相比,台积电的SoIC提供了更高的凸点密度和速度,同时消耗更少的电能。更重要的是,SoIC是一个“前端”集成解决方案,在封装之前连接两个或多个裸片。因此,在台积电的“后端”先进封装技术(如InFO或CoWoS)中,SoIC栈可以与其他SoIC或芯片进一步集成,提供强大的“3D-by-3D”系统级解决方案。

  去年台积电顺利试产7nm系统整合芯片(SoIC)及 16 纳米晶圆堆叠晶圆(WoW)等 3D IC 封装制程,预期 2021 年之后进入量产。

  借助上述封装技术,台积电正在率先对半导体业务进行另一项变革。CoWoS,InFO尤其是SoIC使半导体和系统供应商能够从当今较低复杂度(和较低价值)的组件级IC迁移到IC封装中非常高复杂度和高价值的系统级解决方案。这三种先进的IC封装解决方案正在加速一个重要的行业趋势:IC和系统价值创造的很大一部分正从芯片转移到封装。

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