芝能智芯出品
人工智能（AI）、高性能计算（HPC）和下一代通信技术的迅猛发展，半导体封装技术正面临前所未有的挑战。
传统封装技术已无法满足日益增长的性能需求和集成密度要求，而中介层与基板作为先进封装的核心组件，正在从简单的连接平台转变为负责电力分配、热管理、高密度互连和信号完整性的工程系统。
新材料和新工艺的引入，如有机中介层、玻璃基板、混合键合技术以及精细至1-2μm的重分布层（RDL），为解决这些问题提供了创新路径。
我们将从电力分配和热管理两个关键维度，深入探讨新材料与新工艺如何推动先进封装技术的突破，并分析其面临的制造挑战与未来发展方向。
Part 1
新材料与新工艺
在电力分配中的作用
电力分配是先进封装设计中的核心环节，直接影响芯片性能的稳定性和能效。
随着芯片架构向异构集成和基于芯片的更大尺寸发展，传统印刷电路板（PCB）技术因其20-30μm的线宽限制，已无法满足现代芯片对高密度互连和低损耗电力传输的需求。
● 中介层和基板技术的革新成为弥合这一差距的关键，而新材料和新工艺的应用则为电力分配提供了全新的可能性。有机中介层作为硅中介层的替代方案，正在迅速崭露头角。
相比需要复杂硅通孔（TSV）和深度蚀刻工艺的硅中介层，有机中介层利用玻璃载体作为结构支撑，不仅降低了制造难度，还能实现更大的封装尺寸和更细的互连间距。这种材料选择使得电力分配网络能够以更高的密度和更低的电阻进行布线，从而减少电力传输中的损耗。
有机中介层支持的重分布层（RDL）线宽已缩小至1-2μm，接近芯片间互连的理想尺寸，为高性能计算和AI应用中的电力高效分配奠定了基础。
● 玻璃基板作为一种新兴材料，因其优异的机械稳定性和低介电常数（约为4.0，远低于硅的11.7），在电力分配中展现出巨大潜力。低介电常数减少了信号传输中的寄生电容和损耗，使玻璃基板特别适合5G、6G等高频应用。
此外，玻璃基板支持超精细RDL的集成，能够在更大尺寸的封装中实现均匀的电力分布。然而，玻璃基板的制造仍面临翘曲控制和电镀均匀性等挑战，需要进一步优化工艺流程以确保其在大规模生产中的可靠性。
新工艺的引入同样对电力分配产生了深远影响。混合键合技术作为传统微凸块键合的替代方案，通过电介质-电介质和金属-金属的直接连接，将互连间距缩小至10μm以下，提高了信号完整性，还显著降低了电力传输中的电阻损耗。
相比之下，传统微凸块键合受限于40μm以上的间距，已难以满足现代芯片对高密度电力网络的需求。直接铜互连技术的探索进一步消除了焊料的使用，通过减少中间材料提升了电力传输效率。这些工艺的实现需要克服表面处理和氧化控制等难题，以确保键合的均匀性和可靠性。
在扇出面板级封装（FOPLP）中，新材料与新工艺的结合进一步推动了电力分配的优化。FOPLP通过大尺寸面板格式封装更多芯片，理论上降低了单位成本，同时支持高密度RDL的集成。
然而，面板级制造带来了电镀均匀性和翘曲控制的新挑战。为解决这些问题，制造商正在引入人工智能驱动的过程控制技术，通过实时监控和自适应调整，确保电力分配网络在纳米级精度下的稳定性。
FOPLP的成功不仅依赖于材料创新，还需要工艺流程的全面优化，以实现电力分配的高效性和经济性。
新材料如有机中介层和玻璃基板，以及新工艺如混合键合和直接铜互连，正在重塑先进封装中的电力分配格局。
这些技术通过缩小互连间距、降低传输损耗和提升分布均匀性，为AI和高性能计算提供了强有力的支持。然而，制造中的复杂性和可靠性问题仍需通过持续的技术迭代加以解决。
Part 2
新材料与新工艺
在热管理中的突破
热管理是先进封装技术中另一个至关重要的领域。随着芯片功率密度的增加和互连间距的缩小，散热问题已成为限制性能扩展的主要瓶颈。中介层和基板不再仅仅是无源元件，而是逐渐承担起主动散热的功能。
新材料和新工艺的引入为热管理提供了创新解决方案，使其能够应对多芯片模块和高性能计算的极端热负荷。
● 在材料层面，玻璃芯基板和有机-无机混合结构的出现显著提升了热管理能力。玻璃芯基板因其高机械强度和低热膨胀系数，能够在高温环境下保持尺寸稳定性，减少因热梯度引起的翘曲和机械应力。
这对于大尺寸中介层（边长达4-5英寸）尤为重要，因为热梯度可能对数千个微尺度键合点产生压力，进而影响电气性能。
此外，玻璃基板的低介电常数和高导热性使其成为散热与信号完整性兼顾的理想选择。玻璃材料的脆性和通孔填充的制造难度仍需通过工艺改进加以克服。
有机中介层通过整合硅桥形成混合基板，结合了有机材料的成本优势和硅的高导热性。
这种混合结构能够在局部区域高效散热，同时保持整体封装的经济性，不同材料间的热膨胀系数差异可能导致热循环中的分层或开裂问题，采用预测性热仿真模型，在设计阶段识别潜在风险，并通过材料选择和结构优化加以缓解。
● 在工艺层面，嵌入式热管理技术的开发为散热提供了新思路，微流体冷却通道被集成到中介层内部，通过液体循环直接带走热量，显著降低了芯片温度。这种方法特别适用于多芯片封装，其中热量必须通过密集的互连结构散发。
此外，相变材料的引入能够在峰值负载时吸收多余热量，并在低负载时逐步释放，从而平滑温度波动。基于碳纳米管的热界面材料也因其超低热阻而备受关注，相较于传统热界面材料，其导热效率提高了数倍。这些技术的成功应用将决定中介层能否有效支持AI加速器和高性能计算的热需求。
有源中介层设计的兴起进一步推动了热管理的智能化。通过将晶体管和电源管理电路嵌入中介层，可以实现自适应的热调节。嵌入式电路能够根据负载变化动态调整功率分配，从而减少局部过热的风险。有源中介层的高功率密度也带来了额外的散热挑战。
制造商正在探索高导热金属有机散热器和瞬态热缓冲材料，以确保热量的快速散发和系统的长期可靠性。
在制造过程中，热管理的优化离不开人工智能技术的支持。通过高分辨率成像和机器学习算法，制造商能够在生产中实时检测热应力引起的微小缺陷，并在问题扩大前进行调整。这种方法在面板级封装中尤为重要，因为大尺寸基板的热均匀性直接影响产量。
人工智能驱动的热管理策略将成为未来封装技术的主流趋势，通过提升工艺控制精度，确保散热系统的高效性和可靠性。新材料如玻璃芯基板和混合结构，以及新工艺如微流体冷却和相变材料的应用，正在为先进封装中的热管理带来革命性变化。
这些技术通过提升散热效率和热稳定性，为高功率芯片提供了可靠支持，热膨胀失配和制造复杂性等问题仍需通过跨学科协作加以解决，以实现热管理的全面突破。
小结
新材料与新工艺的引入正在重新定义先进封装技术的边界，为电力分配和热管理提供了前所未有的解决方案。从有机中介层和玻璃基板的高密度互连，到混合键合和嵌入式热管理技术的创新应用，这些进步不仅推动了AI、高性能计算和下一代通信的发展，也为半导体行业开启了一个全新的时代。
通过持续的材料创新、工艺优化和人工智能驱动的智能制造，能够克服这些障碍，实现电力分配与热管理的完美平衡。
原文标题 : 先进封装中材料与工艺：如何分配电力与散热
