于大全:远离你,用心去做

“无论是延续摩尔定律,还是拓展摩尔定律,都离不开先进封装技术,先进工艺和先进封装是推动集成电路制造技术的两个引擎。”

2021年5月19日,集微龙门阵首次线下论坛举办。在这场以“半导体供应链重整时代下,先进封测的挑战和机遇”为主题的盛会上,厦门大学教授于大全以“新时代先进封装技术”为主题发表演说,将我国封装技术多年发展、“从零到一”的艰辛历程娓娓道来,同时,面向新时代,对封测技术的发展提出自己更高的目标。于大全

于大全

由表及里,逐步走进零级封装

封装技术,是将制备合格的芯片、元件等装配到载体上,采用适当的连接技术形成电气连接、安装外壳,构成有效组件的整个过程,是连接芯片内部电路和外部电路的桥梁,是实现芯片功率输入、输出与外界连接的途径。

我国封装技术初现于20世纪70年代,腾飞于集成电路产业内成果遍地开花的21世纪,随着中国在设计、制造领域的强势崛起,特色工艺及封装测试也进入了提速的赛道。

研究生硕博连读期间,于大全就与封装技术结下了不解之缘,坚定了在先进封装道路上不断探索的决心。他2004年博士毕业,在告别了母校——大连理工大学后,走出国门,到彼时更为前沿的科技世界一探究竟。

2005年,功夫不负有心人,他成功申请获批德国“洪堡学者”这一殊荣,开始了在德国夫豪恩霍微集成和可靠性研究所近一年半的研发工作,走进了“芯片堆叠技术”这一领域的大门。之后,于大全到新加坡微电子研究所工作了3年,开始接触到圆片级封装、微机电系统封装和硅通孔等前沿技术。

在微电子封装中,零级封装一般指圆片级的芯片连接,一级封装指芯片级封装,二级封装指电路板级的封装,而三级封装则指的是整机的组装。通过5年海外学习和工作,于大全的研究方向也逐渐从二级封装技术逐渐深入到零级封装,在研学路上由浅入深、由表及里,最终触摸到了芯片封装技术的最前沿与核心的部分。

2010年在加入中国科学院微电子研究所任“百人计划”研究员后,于大全发现,彼时我国的“硅通孔”技术发展正处于起步阶段,但海外早在10年前就已有实验研究,这令深耕于该领域数年的于大全心焦不已。

硅通孔(TSV)是一种穿透硅晶圆或芯片的垂直互连技术,可让三维集成电路(3D IC)封装遵循摩尔定律且可堆叠多片芯片。此技术能降低成本并有效提高系统的整合度与效能,在三维封装和三维集成电路中具有重要应用,技术的应用前景极为广阔。

于是,于大全在任职中国科学院微电子所研究员期间,在微电子所叶甜春所长、室主任万里兮研究员支持下,开始组建研发团队,开展科技攻关,推动产业技术进步。2011年他在无锡江苏物联网研究发展中心建立系统级封装实验室,承担硅通孔技术研发的国家02重大专项课题任务研究。2012年9月,华进半导体封装先导技术研发中心有限公司成立,团队和技术成果转入,并开始12寸硅通孔技术的研发。

2014年3月起,于大全任上市公司天水华天科技有限公司研究院院长,带领团队深入挖掘新型三维晶圆级封装、扇出型封装等先进技术,并尽最大努力推动产业化。华天科技的产值从2014年的33亿元一路提升至2019年的81亿元,在全球封装行业的排名由第14位提升到第7位。

产教融合,协同攻关先进封装

当前社会正处于新技术与新应用全面爆发的背景下,移动设备、大数据、人工智能、5G通信、高性能计算、物联网、智能汽车、智能工业等新兴行业得到快速发展,而这些技术与应用必将对底层芯片技术产生新的需求。

“芯片功能越强大,对封装技术提出的挑战越多,这就如同我们盖房子,设计、建造越好,对装修水平的要求也会越高。”于大全如此解释如今学术界所面对的行业挑战,也指出,近10年来,随着摩尔定律放缓,芯片制造技术逐渐走到物理极限,芯片封装技术变得极为重要。目前,被称为“第四代封装技术”的硅通孔(TSV)与扇出型封装(Fan-out)是两种最重要的主流封装技术。

随着封装技术创新发展,于大全深感国内封测技术人才缺乏,基础理论研究薄弱。2019年,于大全任职厦门大学电子科学与技术学院,开展封装技术基础研究、人才培养和产业实践,探索产教融合发展模式。

厦门大学以其广阔的平台及高自由度的科研氛围深深吸引了于大全。在加入厦门大学后,他组建了自己的团队,其中包含教授1名、副教授1名、助理教授3名、博士后1名、博士生7名以及研究生12名。

于大全带领团队面向集成电路系统集成开展攻关,主要研究方向包括超高密度硅通孔技术、低成本玻璃通孔技术、三维芯片堆叠技术、芯片散热技术、无源器件集成技术及巨量转移技术。此后,团队陆续承担了厦门大学国家集成电路产教融合创新平台建设的相关任务与国家自然科学基金项目、厦门市科技重大专项任务,以及集成电路龙头企业横向课题,进一步开展合作研发。

“我国在大学内投入的研发资源其实是非常多的,但是我认为投入产出比仍然不够高,例如我国的‘卡脖子’技术,5G射频器件和封装等,目前发展状况仍然较为薄弱。”想要解决问题,便要深入产业迫切需求中去。于是,本着应用先进技术解决关键产业问题的想法,2018年,厦门云天半导体科技有限公司应运而生,由创始人于大全担任董事长一职。再次深入产业的于大全更加如鱼得水。

公司致力于面向5G应用的先进封装与微系统集成技术研发与产业化,通过自主研发与协同创新,提供特色工艺、先进封装和系统方案。其主营业务不仅包含晶圆级三维封装、扇出型封装、射频模块的系统封装,也同时聚焦集成无源器件(IPD)制造技术与高密度玻璃通孔、高精度天线等高精密制造技术。其中,公司所研发的射频芯片扇出型封装和天线一体化(AiP)技术、滤波器圆片级封装技术及片上集成IPD等工艺目前均处于国际先进水平。

厦门云天半导体科技有限公司在厦门海沧已建立研发基地和量产孵化生产线,构建了国内稀缺的4/6/8英寸晶圆级三维封装平台。2022年4月,35000平方米新厂房将投入使用,生产能力进一步得到提升,具备从4英寸到12英寸圆片级制造和封装能力。

硕果已成,奖项激励前进脚步

2021年11月3日,2020年度国家科学技术奖励大会在北京举行,此次大会最不同寻常之处在于有5个半导体项目获奖。其中,于大全在硅通孔三维封装技术研发上取得的成就也赫然在列。

面对荣誉,他总是心怀感恩并谦恭有加:“荣获国家科技进步奖一等奖当然并非我一人之功,我认为这是对过去20年里,我国封测技术突飞猛进,部分技术甚至赶超国际先进水平的高度认可,也是对业内无数科研从业者的总体褒奖。”

项目中,于大全带领研发团队在国内第一次完整研发了高深宽比(≥6∶1)8/12英寸硅通孔转接板全工艺,完成深孔清洗、拆键合机理、背面铜露出、微凸点制造与三维互连技术研究;开发了硅后通孔三维晶圆级封装技术;开展了直孔硅刻蚀、干法介质层刻蚀、键合片低温等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等重点关键工艺开发,并将相关技术应用于指纹识别、高性能图像传感器产品,实现了规模化量产。

一生一事,行远自迩。

面向未来,于大全总结了新时代的先进封装趋势。如:先进封装将越来越成为延续和拓展摩尔定律的重要手段;先进封装将逐渐由中道技术向前道技术演进,由线宽精度向亚微米迈进;高密度TSV技术/Fan-Out扇出技术由于其灵活、高密度、适于系统集成,成为目前先进封装的核心技术;先进芯片堆叠、超高密度互连技术将成为先进封装核心工艺,今后越来越多的创新工作均会向这个方向会聚,为芯粒(chiplet)发展提供技术基础;异质集成、先进微系统集成或成为更加棘手的业界新挑战等。

挑战与机遇并行,是每一位科研人员习以为常的发展态势,对于大全来说,先进封装和微系统集成技术的发展之路仍然道阻且长,但他坚信只要不变初心、自强不息,终将干霄凌云。

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