ECTC 2026 A*STAR：88×52mm超大RDL-first扇出中介层组装工艺实现HPC+HBM+光子芯粒异构集成

一、异构集成的核心需求与超大封装的技术挑战

融合计算、存储、光子器件的异构系统级封装，是突破单芯片性能瓶颈的必然方向。集成嵌入式桥接芯片的扇出中介层平台，能够提供细间距、短距离互连，支持更高的带宽密度，且在可扩展性上显著优于传统硅中介层。但该架构的规模化应用，高度依赖高精度芯粒贴装、可靠细间距键合与大尺寸模塑结构上的多层RDL集成技术。

对于本文聚焦的88×52mm超大中介层贴装115×115mm有机基板的场景，核心技术挑战集中在三个方面：一是RDL-first中介层的来料翘曲问题；二是翘曲导致的焊点互连不良或开路；三是大面积区域内毛细底部填充的流动控制与空洞缺陷。此外，电与光子芯粒的共组装，还进一步引入了对齐精度、热预算与材料兼容性的额外约束。

二、全流程测试载体的精准设计

本次研究的测试载体，专为验证大尺寸RDL-first中介层上HPC与光子芯粒的芯片到晶圆（C2W）倒装组装工艺设计，完整覆盖从晶圆级加工到板级装配的全流程。

测试载体基于300mm重构晶圆制备中介层，采用积层有机介质堆叠结构，内置4层铜RDL，线宽/线距达到2μm/1μm，UBM焊盘采用金表面处理。中介层布局包含多组支持电与光接口的芯粒位点：8mm×8mm的HBM桥接芯片与10mm×6mm的光子光学引擎（OE）桥接芯片，桥接芯片均采用高度25μm、间距45μm的铜柱微凸点。设计中集成了菊花链互连图形，用于电性连续性测试与对齐稳定性验证。

完整的组装流程为：晶圆级键合桥接芯片→晶圆级底部填充→晶圆级塑封→切割得到88×52mm单颗中介层（含34222个I/O，凸点间距360μm）→中介层贴装至115×115mm有机基板→二级毛细底部填充→背面研磨露出TSV与TMI→贴装顶部芯粒→基板底部植0.6mm直径SnAgCu BGA焊球→整体封装装配至150×150mm PCB板。

三、核心组装工艺的开发与选型验证

研究团队对全流程关键工序进行了系统性对比与优化，逐一解决了大尺寸封装的特有工艺难题。

◆ 桥接芯片C2W倒装键合工艺

研究团队对比了大规模回流焊与热压键合（TCB）两种工艺用于桥接芯片晶圆级键合的可行性。大规模回流焊具备高吞吐量、兼容晶圆级加工的优势，但存在重构晶圆翘曲控制困难、细间距（<40μm）下易发生焊桥的问题。实验结果显示，采用大规模回流焊时，中介层晶圆边缘的HBM芯片出现了底部UBM焊盘非润湿缺陷，其根本原因是HBM硅芯片与玻璃中介层晶圆之间的热膨胀系数（CTE）失配，导致回流过程中产生翘曲。

最终选定热压键合（TCB）工艺用于桥接芯片的C2W键合。TCB工艺通过精确对齐后，将顶部带微凸点的桥接芯片与底部UBM焊盘对准，加热至焊料合金熔点完成键合。工艺参数设置为：卡盘温度恒定100℃，键合头温度根据桥接芯片类型在300℃至330℃之间调整。该工艺通过局部化热输入，有效缓解了封装翘曲与CTE诱导应力，实现了细间距互连的高对齐精度，且焊料坍塌量更小，实验中各类桥接芯片的焊点均表现出良好的润湿性能。同时研究也指出，TCB工艺存在键合周期长、凸点对齐公差严格、设备复杂度高、吞吐量低于大规模回流焊的固有挑战。

◆ 晶圆级底部填充工艺

TCB键合完成后，在晶圆级进行底部填充点胶，以填充芯片与RDL之间的窄间隙。由于模内互连（TMI）紧邻有源芯片边缘，对底部填充的流动性、空洞控制与材料流变学提出了严苛要求，任何流动异常都可能干扰垂直互连的形成。研究团队通过优化点胶参数，并采用加压烘箱进行固化，最终在88×52mm的大面积区域内实现了无空洞、均匀的底部填充覆盖，截面分析确认了完全的毛细填充效果。

◆ 晶圆级塑封工艺

晶圆级塑封是为芯粒提供机械保护、实现应力再分布，并为后续RDL制备提供平整表面的关键工序。对于大尺寸异质芯粒集成，核心挑战在于控制塑封料的流动、填料分布与固化收缩，以最小化芯片偏移、翘曲与细间距互连处的应力集中。优化后的塑封工艺实现了塑封料在整个晶圆表面的均匀包覆，保障了后续RDL光刻的稳定性与封装结构的长期可靠性。

◆ 背面研磨与PI介质层工艺

背面研磨是模塑晶圆的关键减薄步骤，通过粗磨-细磨结合的方式从背面去除多余塑封料与硅，以露出硅通孔（TSV）与模内互连（TMI）。由于硅、铜与塑封料的机械性能差异显著，非均匀材料去除易导致TSV/TMI过曝或欠曝、铜拖尾与高度不均，进而劣化后续RDL的可靠性。实验结果显示，优化后的背面研磨与抛光工艺，完整露出了模塑晶圆上的TSV与TMI，未出现铜拖尾、模-硅界面分层或开裂等缺陷。

背面研磨后，在模塑晶圆表面沉积聚酰亚胺（PI）涂层，作为后续RDL加工的关键介质层与应力缓冲层。通过光刻与刻蚀工艺定义PI通孔开口，以暴露下方的TSV铜焊盘。为吸收光刻公差、晶圆变形与对齐误差，PI通孔设计为相对TSV焊盘具有可控的过尺寸。

研究强调，PI厚度控制、叠加能力与TSV焊盘设计必须协同优化，对齐不足会导致焊盘部分暴露、接触电阻升高、RDL电镀空洞与长期可靠性风险。最终实验实现了HBM、UCIE与光子桥接芯片的PI通孔与TSV焊盘对齐良率超过80%。

◆ 超大中介层贴装基板工艺

研究团队评估了三种倒装组装工艺用于88×52mm中介层贴装115×115mm有机基板的效果，每种工艺均针对大尺寸、翘曲风险与细间距互连密度进行了适配：

1. 焊球大规模回流焊：最通用的工艺，吞吐量高，但需精确控制翘曲以维持凸点共面性；

2. 常规热压键合（TCB）：对细间距铜柱或微凸点阵列具有优异的对齐精度，通过局部热压减少焊桥并补偿大尺寸中介层的翘曲，但需保证界面键合温度的均匀性，以实现全区域焊点的可靠互连；

3. 无助焊剂TCB：键合前采用等离子体清洗或甲酸蒸汽去除铜柱或焊球表面的氧化物，在真空或惰性气氛中完成键合，无需使用助焊剂。该方案避免了后回流清洗的难题，这对于集成HPC与光子芯粒的大尺寸RDL-first中介层至关重要，因为残留的助焊剂或底部填充空洞会严重损害电性性能与良率。

X射线检测结果显示：大规模回流焊样品的焊点形态良好；常规TCB样品出现了典型的“枕形缺陷”，表明焊点润湿不良；无助焊剂TCB样品的边角焊点出现挤压变形。上述缺陷的主要原因是大尺寸中介层的翘曲与基板之间的热失配。截面分析进一步确认，大规模回流焊样品的焊点润湿充分、互连形态良好，因此最终选定大规模回流焊作为该工序的标准方案。

◆ 焊球植球工艺

在115×115mm京瓷基板的底部进行焊球植球，采用模板印刷或拾放工艺将预成型焊球放置到指定焊盘，通过可控回流曲线实现焊点成形。该工序的核心挑战包括：大面积基板的均匀润湿控制、热梯度导致的翘曲、以及焊桥或错位缺陷。实验结果显示，基板上12966颗0.6mm直径的SnAgCu焊球全部成功植装，无漏球、无焊球空洞，焊点高度一致、附着力可靠。

四、关键工艺结果与核心技术成果

本次研究完整验证了88×52mm超大RDL-first扇出中介层的全流程组装工艺，取得了六项核心技术成果：

1. 采用TCB工艺完成了底部RDL-first晶圆上桥接芯片的C2W键合，实现了优异的焊点互连性能；

2. 背面研磨与抛光工艺完整露出了模塑晶圆上的TSV与TMI，未引发铜拖尾、模-硅界面分层或开裂；

3. HBM、UCIE与光子桥接芯片的PI通孔与TSV焊盘对齐良率超过80%；

4. 大规模回流焊工艺实现了中介层焊球与基板焊盘的良好对齐，焊点互连可靠、润湿充分、无空洞，基板菊花链测试结果一致；

5. 优化的点胶参数与加压烘箱底部填充固化工艺，在88×52mm的大面积芯片区域实现了无空洞、均匀覆盖；

6. 115×115mm京瓷基板上12966颗焊球的植球工艺，实现了无漏球、无焊球空洞的完美结果。

此外，翘曲测量结果显示，中介层贴装至基板后，整体封装的翘曲低至约110μm，满足后续组装与可靠性要求。

五、研究意义

本研究成功开发了适用于超大尺寸RDL-first扇出中介层的可制造组装工艺，系统解决了大尺寸异构集成封装的核心技术痛点，为下一代高性能计算应用中，融合计算、存储与光子器件的异构系统级封装提供了坚实的技术支撑。