来源:科学网 发布时间:2025/8/8 22:24:06
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从实验室到产业端,微纳3D打印重塑半导体封装创新路径

 

随着信息技术飞速发展,人工智能、大数据、云计算与物联网等领域正呈现出前所未有的规模化与复杂化,进而对计算系统提出了更高的性能、能效比及智能化处理能力的要求。在此背景下,面向未来的新型计算架构与芯片设计思路加速兴起,半导体行业正经历从单芯片性能提升向多芯片异构整合的范式转变,封装技术的重要性迅速跃升为支撑系统性能持续演进的核心。

为了满足高密度集成、高频高速互联、散热与信号完整性等多重要求,先进封装技术亟需实现更小的特征尺寸、更高的结构复杂度以及更高的良率。而传统减材式制造工艺(如光刻+蚀刻)在加工灵活性与精度控制面临难题。如何在微米甚至亚微米尺度上实现快速、可定制、低成本的结构构建,成为封装领域创新突破的关键之一。微纳3D打印,作为一项具有结构自由度极高、精度控制极致、材料多样性广的先进制造技术,正在半导体封装测试与研发中展现出应用潜力。

一、摩方精密微纳3D打印:重构封装测试研发的工具链

与传统平面加工方式不同,微纳3D打印通过逐层固化或堆积材料实现高精度结构构建,能够灵活构造多维、复杂、跨尺度的几何特征。在先进封装测试研发场景中,摩方精密PμSL技术可实现最小光学分辨率2μm加工能力,在测试用中介层样品制造、Fan-Out基板原型验证等过程中,可以构建高密度微通孔、复杂布线通道等结构,有效支撑新型封装架构的原型开发。

传统封装原型开发周期长、开模成本高,利用微纳3D打印可直接读取设计模型,无需掩膜版,适合复杂系统封装方案的多轮迭代、验证与微调。对于Chiplet异构整合结构的测试验证尤其重要。

在材料兼容性方面,摩方技术支持多种功能光敏树脂、陶瓷复合材料、水凝胶及导电墨水体系的打印,可用于制造具有导电性、耐热性等功能的测试件,具备极高的场景适应性与边际制造成本优势,降低研发整体投入。

典型应用案例:从原型开发到系统验证

在与国内外封装测试科研机构的合作中,摩方精密技术已在多个关键节点中落地应用。近期,韩国科研机构利用摩方microArch S230A(精度:2 μm),成功验证了微纳3D打印在半导体封装研发及测试中的可行性。

在题为“3D Printed Fanout Interposer Substrates with Curved Through-Holes for Rapid Prototyping of Advanced Packaging”的研究中(DOI:10.1109/ECTC51687.2025.00201 ),研究人员利用摩方微纳3D打印技术开发了一种具有嵌入式曲面通孔的新型有机中介层。

该设计旨在解决传统重布线层(RDL)制造的局限性,传统方法每层需要超过十道光刻步骤,对于小批量或原型生产而言往往成本过高。该项研究关设计出区别传统的基于RDL的积层结构,曲面通孔提供了连接具有不同间距I/O接口芯片的潜力,增强了设计灵活性,实现了高互连密度和信号完整性。科研团队使用microArch? S230A(精度:2 μm)3D打印系统,完成高保真自动化制造。通过整合多道制造工序,显著简化中介层生产流程,同步实现新布局的快速原型制造、专业应用的低成本规模化扩展,以及基于低损耗介质与高完整性金属化的射频性能跃升。

图. 基板的三维CAD设计图。

在题为“Quasi-Coaxial Through-Hole Integrated Additively Manufactured Antenna-in-Package(AiP) Lid Substrates”论文中(DOI:10.1109/ECTC51687.2025.00302),研究团队介绍了一种集成了贴片天线、共面波导和准同轴通孔的3D打印盖式AiP基板,为AiP基板提供了一种经济高效且可扩展的解决方案。

团队采用microArch? S230A(精度:2 μm)3D打印系统制造了尺寸为5×7 mm、厚度1.6 mm、通孔直径200 μm的聚合物结构,成功一体化制得集成贴片天线、共面波导线和芯片腔体的高集成且高性能AiP基板。实现27.94 GHz谐振频率的基板设计与接地金属层集成,有效抑制对芯片的电磁干扰。

图. 制造流程示意图,3D打印基板上贴片天线的正视图,3D打印基板上CPW线的光学显微镜图像以及横截面示意图。

三、从实验室验证走向量产导入的关键突破

长期以来,微纳3D打印多用于科研验证与概念样件制作,始终难以跨越量产门槛。而摩方精密在精密装备、材料体系与工艺控制方面持续深耕,正逐步推动该技术向终端制造渗透。陆续推出工业级超高精度、复合精度光固化3D打印系统,横跨2μm,10μm,25μm精度,分别支持不同尺寸的高端制造需求。25μm光学精度,适配封装结构中各类基板构件制造,2μm级高分辨率打印,已应用于小型微通孔结构测试件、微型连接器原型等多个工业化项目中。

封装测试涉及大量热、电、力耦合环境,材料性能需具备高介电稳定性、热导性、低吸湿性等。摩方研发的多款光敏树脂材料具备低损耗、高温稳定等特性,在射频、微波器件测试中,表现出良好的频谱响应和机械可靠性。针对工业端客户需求,摩方构建了涵盖设计支持→参数优化→打印执行→后处理→质量控制的全流程标准化操作体系,同时在设备端配套智能操作界面与自动调平系统,显著降低操作门槛与出错率,推动研发测试流程效率提升。

可以见得,当先进封装迈向纳米互连与异构整合新阶段,制造精度将成为产业发展的底层能力,微纳3D打印也正在为封装研发注入新的可能。以摩方精密为代表的国产先进制造企业,逐步将实验室级工艺带入工业应用落地,为半导体封装测试研发持续输送协同制造创新能力。

 
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