晶圆级3D封装工艺流程及核心市场应用分析和3D封装芯片清洗剂介绍

一、晶圆级3D封装工艺流程概述

晶圆级3D封装（Wafer Level 3D Packaging）是在晶圆未切割前直接进行封装加工，再切割成独立芯片的先进封装技术。其核心逻辑区别于传统“先切割后封装”，通过“晶圆级批量处理”实现更小尺寸、更高集成度、更低成本的优势，是3D封装的重要分支（另包括堆叠型、系统级封装）。

1. 核心工艺类型及流程

晶圆级3D封装的流程因技术路线（如扇入/扇出型、TSV、RDL）而异，以下是常见类型的详细步骤：

（1）扇入型晶圆级封装（Fan-In WLCSP）

适用场景：I/O数量较少的芯片（如手机处理器、传感器），强调小尺寸。
流程步骤：

特点：锡球位于晶圆顶部，封装尺寸接近芯片本身（“芯片级封装”），适合消费电子的小型化需求。

（2）扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLCSP）

适用场景：高I/O、多芯片集成（如SiP、3D堆叠），强调扩展I/O能力。
流程步骤：

特点：I/O引出至芯片外，支持更多I/O数量（如苹果A12处理器用扇出型封装实现高集成度），是3D堆叠和SiP的核心技术。

（3）硅通孔（TSV）晶圆级3D封装

适用场景：3D堆叠（如3D DRAM、高性能计算芯片），强调垂直互连和高带宽。
流程步骤

特点：垂直互连缩短信号传输路径（比传统引线键合短10-100倍），提高带宽（如HBM3E带宽达1.2TB/s），是AI和高性能计算的核心支撑技术。

（4）重新分配层（RDL）封装

适用场景：芯片堆叠（如多芯片模块MCM），强调I/O重新布局。
流程步骤

特点：通过RDL重新布局芯片焊盘，支持多芯片堆叠，适合高性能芯片（如GPU、TPU）。

2. 关键工艺技术

晶圆级3D封装的核心技术包括：

• 光刻：高精度图案转移（分辨率可达10nm以下），用于电路、绝缘层的定义，是流程的“眼睛”。

• 溅射/电镀：制备金属膜（如Ti/Cu种子层、铜引线、金层），确保导电性和附着力，是电气连接的基础。

• 模塑：扇出型中用EMC固定芯片，保护内部结构，防止外界环境（如湿度、振动）影响。

• TSV技术：深孔蚀刻、金属填充，实现垂直互连，是3D堆叠的“脊梁”，决定了堆叠层数和带宽。

• 回流焊：将锡球与金属层牢固结合（形成金属间化合物IMC），确保电气连接的可靠性。

二、核心市场应用分析

晶圆级3D封装的应用场景主要围绕高集成度、高带宽、低功耗的需求，核心市场包括：

1. AI与高性能计算（HPC）

需求：AI模型（如GPT-4、PaLM）训练需要海量数据处理，要求存储具备高带宽、低延迟、高容量；高性能计算（如气象模拟、量子计算）需要芯片具备高集成度、高算力。
应用：

• 3D DRAM：如高带宽存储器（HBM3E），通过TSV堆叠多层DRAM，带宽可达1.2TB/s（英伟达H100 GPU采用）；三星VS-CAT DRAM（电容器水平放置）计划2030年量产，提升存储密度。

• 高性能GPU/TPU：如英伟达H100、谷歌TPU v4，采用扇出型或TSV封装，整合CPU、GPU、TPU，提高算力。
  案例：英伟达H100 GPU用HBM3E实现1.2TB/s带宽，支持大规模AI训练；三星VS-CAT DRAM预计将存储密度提升至传统DRAM的2倍。

2. 移动设备

需求：手机、平板等便携设备要求小尺寸、轻重量、低功耗，同时支持高性能应用（如游戏、拍照、5G通信）。
应用：

• 扇入/扇出型封装：如苹果A10/A12处理器用扇出型封装，减少尺寸（比传统封装小30%），提高集成度；华为Mate 60 Pro用3D封装技术提升芯片性能。

• 3D堆叠芯片：如骁龙8 Gen 3用3D封装整合CPU、GPU、NPU，提升运算效率，延长续航。
  案例：苹果A12处理器采用扇出型封装，尺寸仅为10mm×10mm，支持iPhone XS的高性能需求；小米14用骁龙8 Gen 3，3D封装使芯片功耗降低20%。

3. 5G与物联网（IoT）

需求：5G基站需要高速度、低延迟的射频芯片；物联网终端（如智能手表、传感器）需要小尺寸、低功耗的SoC。
应用：

• 3D封装射频芯片：如高通骁龙X75 5G调制解调器，用3D封装提升射频性能（支持10Gbps下载速度）。

• 物联网SoC：如小米智能手表用3D堆叠芯片，减少尺寸（比传统芯片小40%），延长续航（待机时间达14天）。
  案例：高通骁龙X75用3D封装整合射频前端，支持5G mmWave（毫米波），提升信号强度；华为Watch 4用3D封装SoC，功耗降低30%。

4. 存算一体

需求：传统“计算-存储分离”架构存在数据传输延迟（“冯·诺依曼瓶颈”），存算一体需要将计算单元与存储单元紧密结合，提高效率。
应用：

• 存内处理（PIM）：如紫光国芯WOW 3D堆叠DRAM，采用混合键合技术，带宽达8656GB/s，功耗仅为传统HBM的12%，适合AI推理。

• 存内计算（CIM）：如IBM TrueNorth芯片，用3D封装实现存算融合，能效比传统芯片高100倍。
  案例：紫光国芯WOW 3D DRAM用于边缘计算服务器，数据处理速度提升5倍；IBM TrueNorth芯片用于智能监控，功耗仅为传统芯片的1/100。

5. 汽车电子

需求：自动驾驶、车机系统需要高可靠性、高集成度、低功耗的芯片，支持实时数据处理（如激光雷达、摄像头）。
应用：

• 汽车SoC：如特斯拉FSD HW 3.0，用3D封装整合CPU、GPU、TPU，提高计算性能（支持每秒144万亿次运算）。

• ADAS芯片：如英伟达Orin，用3D封装提升能效（功耗仅为传统芯片的1/2），支持L4级自动驾驶。
  案例：特斯拉FSD HW 3.0用3D封装实现高算力，支持自动驾驶的实时决策；英伟达Orin用于蔚来ES8，功耗降低50%，续航提升10%。

三、总结与趋势

晶圆级3D封装是AI时代的核心封装技术，其工艺流程围绕“晶圆级批量处理”和“3D堆叠”展开，关键技术包括TSV、RDL、扇出型封装等。核心市场应用集中在AI与高性能计算、移动设备、5G与物联网、存算一体、汽车电子等领域，这些领域的需求（如高带宽、小尺寸、低功耗）推动了晶圆级3D封装的快速发展。

未来趋势：

• 更高堆叠层数：如3D DRAM堆叠层数从8层提升至16层，提高存储密度。

• 更小间距：如微凸点间距从50μm缩小至20μm，提高集成度。

• 新型材料：如柔性封装材料、纳米材料，提升封装可靠性和性能。

• 产业链协同：晶圆厂、封装厂、设备商（如ASML、台积电）加强合作，降低成本，推动普及。

晶圆级3D封装芯片清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

推荐使用 水基清洗剂产品。