Art Wall

最近批准通过的《CHIPS法案》重新点燃了美国半导体行业的活力,使人们关注到芯片制造的复杂性。随着5G、物联网、AI、汽车和高性能计算等新技术创新进入市场,推动了芯片制造和集成能力的发展。它们要求更高的性能,导致本已极其复杂的工艺更加复杂。所有这一切都需要半导体制造和集成方法的根本转变。

众所周知,许多人认为过去 50 年半导体创新的标准基础——摩尔定律即将走到尽头。由于持续缩小组件尺寸的需求,工程师遇到了电子制造、封装和集成的物理极限难题。制造商的任务是寻找提高电子产品性能的新方法,特别是在速度和尺寸方面。

出现的关键战略途径之一是重新思考如何处理现代半导体的封装和集成。这对芯片设计有着全面的影响,包括如何组合芯片以及如何实现芯片之间的通信。将不同的芯片组合为集成封装,称之为异构集成,其中包括一些被称为小芯片的通用芯片构建块,异构集成正迅速成为跟上技术发展步伐的必要条件。

传统封装和芯片互连面临的挑战

PCB是电子产品的基石,用于连接集成电路(IC)和分立元器件以形成更大的工作电路。过去,单独封装的芯片和元器件安装在PCB上并相互连接以实现功能。

按照这种方法,电路板中的所有层都作为独立的互连,留出电路板的顶部和底部来放置元器件。随着PCB不断小型化的同时变得更加复杂,需要添加更多的元器件,这就是我们开始看到局限性的地方。

《CHIPS法案》的重要部分是认识到,美国不仅需要对芯片制造工厂进行大规模投资,还需要对先进封装进行大量投资。作为下一步,将这些芯片与新方法结合或集成,美国半导体制造能力的创新同样重要。这种方法的某些形式已经通过多芯片模块或系统级封装(SIP)等方法存在,但是需要更全面的方法来提供所需的器件性能。

先进封装前景和补充制造方法

英特尔、Qorvo、Mercury和Skywater等公司正在通过新方法来突破芯片和小芯片集成的极限,以实现芯片间的无缝通信。这在速度和小型化方面提供了许多优势,但通常需要极其复杂、高成本的工具和加工工艺。这对下一代电子集成和封装至关重要,已经开发出一种可以提供补充功能的互连方法——增材电子制造。

我们周围到处都可以看到3D打印形式的增材制造。而许多组织正在积极研究将这些增材制造和印刷方法带入印刷电子产品的互连过程中。这有机会使制造商现在能够逐层打印电路,为互连的新能力打开大门,并使元件现在能够嵌入PCB本身。

从某种意义上说,这涉及到了制造过程中的传统封装步骤,因为可以在电路板的各层中添加原始元器件。因此,我们看到芯片、封装和PCB之间的界线开始模糊,也就是所谓的系统级封装。通过将这些元器件集成和打印互连工艺的新可能性结合起来,可以看到许多优势,如工艺步骤更少、成本更低、浪费更少和快速的原型设计。

虽然增材制造不会完全取代成本更高的芯片间集成方法,但可以为适当的应用提供补充解决方案。在某些芯片堆叠情况下,高频应用已经在某些情况下利用芯片堆叠来提高性能和小型化。

增材工艺也可应用于柔性PCB

很容易看出为电子互连采用增材制造工艺对先进封装的影响,但这也可以扩展到传统PCB制造之外,作为传统PCB制造的替代方案。可再次利用这些方法提供的更快生产速度及更低成本优势。

增材制造电子领域的许多材料、工艺和工具开发都来自柔性混合电子(FHE)技术。这是一种将电路板增材打印在低成本柔性基板上的概念,并且将未封装的、薄的柔性裸芯片直接集成到打印的走线上。柔性电子产品有许多应用,如医疗可穿戴设备、资产监控、软体机器人等这不仅意味着电子系统可以变得灵活,而且还可以大幅减轻重量,这在汽车和航空航天等应用中至关重要。

《CHIPS法案》通过后,我们在芯片制造和传统PCB工艺的发展方面所能实现的机会是无限的。有了这种对电子产品在我们日常生活中所发挥的作用的高度重视,我们可以开始在新的工艺领域进行创新,例如先进封装,并实现增材制造技术的优势。

PCB制造的简化有可能实现PCB制造的变革,同时也可能持续影响先进封装工艺。我们只需迈出第一步,就能满足即将到来的创新的高级需求。

Art Wall任NextFlex公司生产运营总监。