以下文章来源于HIPI联盟,作者HIPI联盟秘书处
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孙蓉
中国科学院深圳先进技术研究院党委委员、先进电子材料研究所负责人
深圳先进电子材料国际创新研究院院长
孙蓉,国务院特殊津贴获得者,国家科技部重点研发计划项目负责人,IEEE高级会员,科睿唯安全球高被引学者(2022、2023、2024)、多次入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家名单。
聚焦集成电路先进封装材料关键材料核心技术,建成集成电路先进封装材料“理化-检测-中试-验证”全闭环研发平台,获批建设首批20个全国重点实验室之一“集成电路材料全国重点实验室(共建)”,并实现晶圆减薄临时键合材料等多款高端电子材料产业化应用。
随着高性能计算、Chiplet和先进封装技术加速发展,芯片集成度不断提升,封装正在从传统意义上的“芯片外壳”向“系统集成载体”演进。
在这一过程中,材料的重要性正在被重新认识。从封装基板到底部填充材料,从键合材料到热管理材料,材料性能、制造工艺与芯片设计之间的协同程度,越来越直接地影响先进封装的性能、可靠性和产业化进程。
在近期举办的先进封装与集成材料产学研交流会上,孙蓉院长围绕先进封装材料的发展趋势、技术挑战、协同创新以及深圳产业生态等话题进行了分享。
8月13日 HIPI联盟先进封装与集成材料产学研交流会合照
作为长期从事先进电子材料研发与产业化工作的科研人员,孙蓉如何看待未来3—5年先进封装材料的发展?材料从实验室走向产线,真正需要突破的又是什么?
本期【HIPI STAR】,我们与孙蓉院长展开对话。
A
从长期从事先进电子材料研发与产业化的视角来看,高性能计算、Chiplet异构集成与先进封装技术的并行演进,正在给电子封装材料领域带来三重根本性变化。
首先,是材料体系的重构逻辑发生了转变。
传统封装材料更多以“匹配封装工艺、实现电气连接”为核心目标,而进入Chiplet时代后,封装正在从“芯片外壳”升级为“系统集成载体”。这意味着材料需要同时满足高互联密度、高信号传输速率、高尺寸稳定性、低热损耗等复合要求,推动材料体系从单一的有机基材、无机基材,向“有机+无机+新型功能材料复合,结合界面调控与堆叠结构化设计” 的异构化体系重构。
其次,是材料的性能边界被持续推高。
随着2.5D/3D堆叠、高密度凸点等工艺逐步普及,传统有机基板在翘曲控制、线宽精度、热稳定性等方面逐渐逼近材料物理极限;硅基板则面临成本、尺寸和高频损耗等方面的制约。这些因素正在推动玻璃基板等新型基底材料加速从实验室走向产业化验证,材料迭代的节奏也明显加快。而材料本身“性能边界”的提高也有可能成为终端器件“性能边界”重构的基础。
第三,是材料在产业链中的价值位阶显著提升。
封装材料已经不再只是产业链中的配套环节,而是决定先进封装集成度、可靠性和成本的核心变量之一,并直接影响高端算力芯片最终的性能落地。业界有种形象比喻:“得材料得天下,得封装得未来”,这个行业共识正在持续强化,材料端的技术突破也正在成为封装技术迭代的核心向导。
HIPI STAR
A
当前先进封装材料领域的产业竞争,正在沿着产业链向上游和系统级延伸。
上游端,基础原料的精细化提纯与分子级改性技术正在成为底层竞争核心;中游端,核心封装材料的量产良率控制与长期可靠性成为规模化竞争的关键;到了下游,材料与封装工艺、芯片设计之间的协同适配能力,则将成为进入高端供应链的重要门槛。
如果从材料研发走向实际应用来看,我认为目前最大的瓶颈还是集中在“全栈协同能力不足”。
一方面,上游基础原料存在明显的底层技术差距。特种环氧树脂、高纯球形填料、高性能固化剂等核心原料,在精细化、功能化改性方面仍有提升空间。国内不少材料企业目前仍主要停留在配方复配阶段,向材料底层技术进一步延伸的能力还需要加强。
另一方面,高端核心材料的量产工艺仍需要突破。例如PSPI、高端UF、ABF基板材料等领域,长期以来具有较高的技术和供应链门槛。国内产品在大规模量产工艺和良率控制体系方面仍需进一步完善,才能满足头部厂商的批量供应要求。
此外,材料、工艺和设计之间的跨主体协同还不够紧密。国产材料研发与封装量产工艺、芯片设计需求之间缺乏深度联动,加上跨产业联合验证通道不足,导致材料验证周期较长、导入成本较高,也增加了进入主流供应链的难度。
HIPI STAR
A
这本质上是由先进封装材料自身的技术特性和产业规律决定的。
首先,先进封装材料具有很强的工艺依赖性。
材料性能能否真正发挥出来,高度依赖制造装备精度、工艺参数控制以及具体应用场景。单一材料在实验室中性能达标,并不意味着它能够在产线上稳定复现,更不意味着能够在终端芯片封装中实现预期的可靠性。比如玻璃基板的TGV成孔工艺,就既需要高精度激光装备支撑,也需要与金属填充、应力管控等工艺进行协同。单点技术突破,很难直接形成完整的产业化能力。
其次,垂直整合是破解“验证难、落地慢”的核心路径。
传统线性的“研发—中试—量产”链条周期较长,试错成本也比较高。而材料、装备、工艺和应用端进行垂直协同,可以把应用端的需求前置到材料研发阶段,通过联合设计和同步验证缩短技术迭代周期,降低产业化过程中的试错成本。
第三,这也是国际产业竞争中的成熟经验。
日本能够长期在全球先进封装材料领域保持较强竞争力,一个重要原因就是通过产业联盟等方式,打通了从上游原料到下游应用的协同链条,形成了技术迭代与产业落地之间的正向循环。通过这个联盟制定标准、推动下一代产品。对于国内产业而言,只有逐步打破各环节各自为战的状态,建立垂直整合的创新体系,才能彻底摆脱“跟随”,真正推动关键材料和整个体系实现自主可控和创新引领。
孙蓉院长在8月先进封装与集成材料产学研交流会上致辞
HIPI STAR
A
深圳,尤其是宝安区,在先进电子材料产业化方面具有比较突出的产业基础和区位优势。
首先是完整的产业集群基础。
宝安是深圳先进制造业的重要承载区,在封装测试、封装基板、高端互联、封装设备、材料等环节集聚了一批龙头和骨干企业。例如鹏鼎控股、礼鼎半导体、景旺电子、容大感光、信维通讯等企业,为材料产业提供了较为丰富的应用场景。这种产业集聚能够进一步实现“材料—基板—封装”的就近验证和就地配套,为先进材料产业化提供良好的产业协同条件。
第二是独特的粤港澳大湾区的区位优势。
深圳毗邻香港,宝安更是“湾区几何中心”,拥有陆海空一体化的综合交通优势,依托前海等平台,可以进一步推动科研人员跨境交流、样品与设备通关便利化,同时链接国际创新资源和高端人才,深化深港产学研协同,为先进封装材料的技术突破和国际化发展提供支撑。
第三是国家级科研平台的硬核支撑。
深圳先进电子材料国际创新研究院等平台在宝安深耕,具备从材料研发到工艺验证的全闭环研发能力,能够为产业提供技术源头供给与中试验证服务,打通 “实验室到产线” 的转化通道,具备“垂直协同创新”的基本要素。
对于研究院自身而言,我们希望在产业生态中承担四个角色。
一是原创技术策源地,聚焦前沿封装材料开展核心技术攻关,为产业持续输出源头创新成果;
二是产业生态聚合器,联动上下游企业、高校和科研机构,推动构建产业创新联盟,搭建公共验证和技术服务平台;
三是成果转化孵化器,推动实验室成果工程化落地,孵化培育创新型材料企业,完善产业梯队;
四是高端人才蓄水池,引育海内外青年科研人才和工程技术人才,为产业发展储备人才和智力资源。
HIPI STAR
A
未来3—5年,我认为先进封装材料领域有四个方向值得重点关注。
第一,新型封装基板材料。
玻璃基板具有低介电、低损耗、高尺寸稳定性等优势,与AI算力芯片、Chiplet异构集成的发展需求具有较好的适配性。随着TGV工艺和可靠性技术持续成熟,玻璃基板有望成为高端封装基板的重要技术路线。当然,有机基板本身也仍然具有很大的技术升级空间,其材料改性和工艺优化值得持续关注。发展过程中有可能存在“有机-无机”复合并存,协同发展。
第二,2.5D/3D堆叠配套材料。
随着高密度混合键合、多层堆叠等工艺逐步发展,对应的键合材料、界面层材料、热管理材料、底部填充材料等需求都将快速增长,同时对材料的精度、可靠性和匹配性提出更高要求。
第三,光电共封装(CPO)相关材料。
随着高速光互联与先进封装进一步融合,适配CPO应用场景的低损耗介质材料、光互连封装材料等,有望成为新的增长方向。
第四,上游基础原料的国产化突破。
封装材料的底层竞争力最终还是来自原料。特种树脂、高纯填料、功能助剂等基础原料在精细化、功能化方面的技术突破,将成为国内材料产业向价值链上游升级的重要基础。
如果进一步看哪些方向可能率先形成规模化应用,我认为有两个方向值得重点关注。
一个是传统环氧基封装材料的迭代升级产品。这类材料拥有相对成熟的工艺链和供应链基础,同时能够适配2.5D等主流封装场景,因此更有条件较快实现规模化替代。
另一个是2.5D封装核心配套材料。目前国内已经具备一定的研发和产业化基础,随着国内先进封装产线持续扩产,这些材料有望率先迎来规模化应用窗口。
至于玻璃基板等新型材料,我认为未来3—5年有望在高端算力芯片场景实现小批量商业化应用,但要实现更大规模的量产,还需要进一步解决良率和可靠性体系等问题。
HIPI STAR
A
先进封装材料的突围,从来不是单点性能的比拼,而是“设计—材料—设备—工艺”全链条协同的深度与精度的较量。
编者按
从材料体系重构,到基础原料突破,再到材料、装备、工艺与应用之间的协同,先进封装材料正在从传统封装产业链中的“配套角色”,逐步走向影响系统性能与产业竞争力的关键环节。
对于国内产业而言,材料的突破并非简单追求某一项指标的提升,更需要建立从基础材料、研发验证到产业应用的协同体系。如何缩短从实验室成果到规模化量产之间的距离,也将成为未来先进封装材料产业化的重要课题。
正如孙蓉院长所言,先进封装材料的竞争,最终比拼的并不是单点性能,而是全链条协同的深度与精度。
HIPI联盟
中关村高性能芯片互联技术联盟(简称“HIPI联盟”)是国内Chiplet领域具有法人实体地位的核心行业组织。目前,联盟已汇聚近200家会员单位,覆盖集成电路全产业链。HIPI联盟始终致力于Chiplet产业链全要素研究、产学研资源协同创新、自主标准体系建设以及产业资源的持续优化,为推动我国高性能芯片互联技术的标准化、产品化与生态化协同发展发挥关键作用。
深圳先进电子材料国际创新研究院
中国科学院深圳先进技术研究院先进电子材料研究所、深圳先进电子材料国际创新研究院以国家重大战略和产业发展需求为导向,面向龙头企业需求牵引开展 “整建制” 科研,现已建成先进IC封装材料的“理化-检测-中试-验证”全闭环平台,贯穿材料研发、应用、验证的关键环节,致力于打通高端芯片在应用端、设计端与制造端的壁垒,为推动集成电路先进封装产业高质量发展提供坚实支撑。
对外合作办主管:么老师
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