摘要：近日，半导体工程团队与 Amkor 小芯片和 FCBGA 集成副总裁 Michael Kelly，就小芯片、混合键合以及新材料展开讨论。一同参与讨论的还有 ASE 研究员 William Chen、Promex Industries 首席执行官 Dick Ot

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering

汽车芯片，正在发生变化。

近日，半导体工程团队与 Amkor 小芯片和 FCBGA 集成副总裁 Michael Kelly，就小芯片、混合键合以及新材料展开讨论。一同参与讨论的还有 ASE 研究员 William Chen、Promex Industries 首席执行官 Dick Otte，以及 Synopsys Photonics Solutions 的研发总监 Sander Roosendaal。以下是此次讨论的摘录内容。

多年以来，汽车芯片的开发在行业中并不占据领先地位。然而，随着电动汽车的兴起以及最先进信息娱乐系统的发展，这一状况已发生了彻底改变。您察觉到了哪些问题呢？

Kelly：高端的 ADAS（高级驾驶辅助系统）需要采用 5 纳米或更小制程的处理器，才能具备市场竞争力。一旦进入 5 纳米制程，就不得不考虑晶圆成本，此时就会慎重思考小芯片方案，因为在 5 纳米制程下难以制造出大型芯片。而且其产量较低，导致成本极为高昂。

若处于 5 纳米或更先进制程，客户通常会考虑从 5 纳米芯片中选取一部分，而非采用整个芯片，同时在封装环节增加投入。他们会思考：“相较于试图在一个更大的芯片中完成所有功能，通过这种方式获取所需的性能，是否会是一种成本更低的选择呢？” 所以，没错，高端汽车公司肯定在关注小芯片技术。行业内的领先企业都在密切留意。相较于计算领域，汽车行业在小芯片应用方面大概滞后两到四年，但这项技术在汽车领域的应用趋势已然明确。汽车行业对可靠性要求极高，所以必须证明小芯片技术的可靠性。不过，小芯片技术在汽车领域的大规模应用肯定会到来。

Chen：我并未察觉到存在重大阻碍。我认为更多的是需要深入学习和理解相关的认证要求。这又回到了计量学层面。我们该如何制造出符合极为严苛的汽车标准要求的封装呢？但可以肯定的是，相关技术正在不断发展。

鉴于多晶粒组件存在诸多散热问题以及其复杂性，是否会有新的压力测试配置文件，或者不同类型的测试呢？当前的 JEDEC 标准能否涵盖这样的集成系统？

Chen：我认为我们需要开发更为完善的诊断方法，以便明确故障所在。我们已经探讨过将计量学与诊断相结合，我们有责任弄清楚如何构建更坚固的封装、更优质的材料和工艺，并对其进行验证。

Kelly：如今，我们与客户开展了案例研究，客户从系统级测试，尤其是功能板测试中的温度影响测试方面，学到了一些东西，这是 JEDEC 测试中所没有的。JEDEC 测试只是一种等温测试，仅仅涉及 “温度升高、降低以及温度过渡”。但实际封装中的温度分布与现实世界中的情况相差甚远。越来越多的客户希望尽早进行系统级测试，因为他们了解这一情况，然而并非所有人都清楚这一点。模拟技术也在其中发挥作用。如果在热机械组合仿真方面技术娴熟，那么分析问题就会更为容易，因为知道在测试中需要关注哪些方面。系统级测试和模拟技术相辅相成。不过，这一趋势目前仍处于早期阶段。

在成熟的技术节点上，需要处理的散热问题是否比过去更多？

Otte：是的，不过在过去一两年中，共面性问题愈发凸显。我们看到芯片上有 5000 到 10000 个铜柱，间距在 50 微米到 127 微米之间。如果仔细研究相关数据，就会发现要将这些铜柱放置在基板上，进行加热、冷却以及回流焊操作，需要达到大约十万分之一的共面性精度。十万分之一的精度，就好比在足球场长度的距离内找到一片草叶。我们购置了一些性能优良的 Keyence 工具，用于测量芯片和基板的平面度。当然，随之而来的问题是，如何在回流焊循环过程中控制这种翘曲现象呢？这是一个亟待解决的问题。

Chen：我记得人们曾讨论过 Ponte Vecchio，他们采用低温焊料是出于组装方面的考虑，而非工作性能方面的原因。

考虑到附近所有电路仍存在散热问题，光子学该如何融入其中呢？

Roosendaal：需要对所有方面进行热仿真，同时还需要进行高频提取，因为进入其中的电信号是高频信号。所以需要关注阻抗匹配以及正确接地等问题。温度梯度非常大，可能存在于晶粒内部，也可能存在于我们所说的 “E” 晶粒（电晶粒）和 “P” 晶粒（光子晶粒）之间。我很好奇我们是否需要进一步深入了解胶粘剂的热特性。

这就引发了关于粘合材料、其选择以及随时间推移的稳定性的讨论。显而易见，混合键合技术已经在现实世界中得到应用，但实际上尚未用于大规模生产。目前该技术发展到什么程度了呢？

Kelly：供应链中的各方都在关注混合键合技术。如今，这项技术主要由代工厂主导，但 OSAT（外包半导体封装测试）企业也在认真研究其商业应用案例。经典的铜混合电介质键合部件经过了长期验证。如果能够控制好清洁度，该工艺能够生产出非常坚固的部件。但它对清洁度的要求极高，而且所需的资本设备成本非常高昂。我们在 AMD 的 Ryzen 产品线中经历过早期的应用尝试，其中大部分 SRAM 采用了铜混合键合技术。但我并未看到其他客户对该技术有太多的应用。虽然它在很多企业的技术路线图上，但感觉还需要几年时间，相关设备套件才能达到独立的清洁度要求。如果能够将其应用在一个相对晶圆厂来说洁净度稍低的工厂环境中，并且期望实现更低的成本，那么或许该技术会得到更多关注。

Chen：据我统计，在 2024 年的 ECTC 会议上，至少有 37 篇关于混合键合的论文。这是一个需要大量专业知识的工艺，而且在组装过程中需要投入大量精细的操作。所以这项技术肯定会得到广泛应用。目前已经有一些应用案例，但未来它将在各个领域得到普及。

您所说的 “精细操作”，是指需要投入大量资金吗？

Chen：当然包括时间和专业知识。进行这项操作需要一个非常洁净的环境，这需要投入资金。还需要相关设备，这同样需要资金。所以这不仅仅涉及运营成本，还包括对设施的投资。

Kelly：在 15 微米或更大间距的情况下，人们对仅采用铜柱晶圆对晶圆的技术方案有很大兴趣。在理想情况下，晶圆是平整的，晶片尺寸不是很大，对于其中一些间距，仍然可以实现高质量的回流。这虽然有一定难度，但相较于致力于铜混合键合技术的成本要低得多。但是，如果精度要求达到 10 微米或更低，情况就有所不同了。那些采用芯片堆叠技术的企业将实现个位数微米的间距，比如 4 或 5 微米，除此之外别无他法。所以相关技术必然会发展。不过，现有技术也在不断改进。所以现在我们关注铜柱能够延伸的极限，以及这种技术的持续时间是否足够长，以便客户能够推迟在真正的铜混合键合技术上的所有设计和 “合格” 开发投资。

Chen：我们只会在有需求的时候采用相关技术。

目前环氧树脂模塑料领域有很多新进展吗？

Kelly：模塑料已经有了很大的变化。其 CTE（热膨胀系数）已经大幅降低，从压力角度来看，对相关应用更为有利。

Otte：回到我们之前讨论的内容，目前有多少半导体芯片是采用 1 或 2 微米间距制造的呢？

Kelly：占比相当大。

Chen：可能不到 1%。

Otte：所以我们所讨论的技术并非主流。这并非处于研究阶段，因为前沿企业确实在应用这项技术，但它成本高昂且产量较低。

Kelly：这主要应用于高性能计算领域。如今，它不仅在数据中心得到应用，高端 PC 甚至一些手持设备也有应用，虽然这些设备相对较小，但仍然具备高性能。如果纵观处理器和 CMOS 的应用领域，它所占比例仍然相对较小。对于普通的芯片制造商来说，并不需要采用这项技术。

Otte：这就是为什么看到该技术进入汽车行业会令人感到惊讶。汽车并不需要芯片尺寸非常小。它们可以保持在 20 或 40 纳米制程，因为在这个制程下，半导体中每个晶体管的成本是最低的。

Kelly：但是 ADAS 或自动驾驶的计算要求与 AI PC 或类似设备是相同的。因此，汽车行业确实需要投资这些前沿技术。

如果产品周期为五年，也许通过采用新技术还能再延长五年的优势吗？

Kelly：这是个很有道理的观点。汽车行业还有另一个角度。试想一下，对于简单的伺服控制器或者运行良好的相当简单的模拟设备，汽车行业必须处理的零件编号问题。这些产品已经存在了 20 年，而且成本非常低。它们采用的是小芯片。汽车行业的相关人员希望继续沿用这些产品。他们只想为非常高端的计算器件投资数字小芯片，并可能围绕它搭配低成本的模拟芯片、闪存和 RF 芯片。对他们来说，小芯片模式非常有意义，因为他们可以保留许多成本低且性能稳定的老一代零件。他们既不想改变这些零件，也没有必要改变。然后，他们只需添加一个高端的 5 纳米或 3 纳米小芯片来完成 ADAS 部分的功能。实际上，他们是将多种不同类型的小芯片应用于一个产品中。与 PC 和计算领域不同，汽车行业的应用更为多样化。

Chen：而且这些芯片不必安装在引擎旁边，所以环境条件相对较好。

Kelly：汽车所处的环境温度较高。因此，即使芯片的功率不是特别高，汽车行业也必须投入一定资金用于良好的散热解决方案，甚至会考虑使用铟 TIM（热界面材料），因为其所处的环境条件非常严苛。

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来源：半导体产业纵横一点号