以“传感x封装”开启半导体制造的未来

“传感 x 封装”开启半导体制造的未来

2025/11/05

“传感 x 封装”开辟半导体制造的未来 SenTePack 联盟连接共同创意合作伙伴

日本有许多涉及半导体制造的制造商和研究机构。另一方面，国内半导体产业确实持续挣扎，未能跟上全球趋势。在这种情况下，对半导体芯片小型化的需求日益增加。为了制造低功耗的小型半导体芯片，有必要提高每种功能组件的封装密度。传感技术与封装技术正在成为关键之一。 AIST 持续进行研究和开发，以推进传感和封装领域的发展。在此基础上，半导体制造企业将携手合作，提高国际竞争力“传感技术和下一代封装联盟（SenTePack 联盟）”已推出。 AIST 对下一代日本半导体制造的愿景将通过研究人员的努力和财团的活动得以实现。

结合日本技术进行下一代半导体芯片的高密度封装

　“在收集数据的传感器等边缘设备中，高密度安装各种小型化部件非常重要。收集到的信息被发送到数据中心，但这里的CPU和内存也是高密度封装的。实现很重要，因为它使我们能够以更少的功耗处理大量数据。改进半导体制造工艺中的传感技术和封装的封装技术是小型化、更高性能和更低功耗的关键。”

　传感技术研究部的草坂康幸如是说。

　半导体制造包括“前处理”和“后处理”。制造工艺和传感技术在预处理过程中变得更加复杂，从在硅晶圆上创建集成电路到将其切割出来，使得形成纳米级微结构成为可能。另一方面，将切割后的硅芯片安装在基板上并放置在树脂密封封装中的“后工艺”并不像前端工艺那么复杂，用于可视化安装过程的传感技术仍然只完成了一半。此外，“中间工艺”的重要性也在不断增加，“中间工艺”将日益小型化的半导体芯片连接和集成到各种基板上。

　2025 年 4 月，AIST 将推动应对这些趋势的技术的社会实施。传感技术和下一代封装联盟（SenTePack 联盟，以下简称“SenTePack”）'' 已启动。

　SenTePack 有四个工作组 (WG)，按传感技术应用领域划分。其中，“半导体制造传感和封装技术工作组”将致力于使半导体后端工艺和安装工艺技术更加精密和智能。通过各公司和研究机构的共同创建，目标是在日本磨练制造先进半导体所需的传感和封装技术，例如小芯片集成以及25维和3维封装。

　总部位于筑波中心的草坂是该工作组的负责人，他表示：“日本拥有强大的材料制造商，工艺设备制造商也具有竞争力。另一方面，即使一家公司拥有独特的技术，个别公司也确实无法完全应对环境的变化。我们希望组成一个联合体，收集全线公司和组织的信息，实现联合研究和入选国家项目，并提供有实际效益的支持。”

由四位不同的研究人员创建的传感和过程的协调

　三名研究人员将与 Kusaka 一起领导这个半导体制造传感和封装技术工作组。在九州中心进行研究的传感技术研究部坂田义太郎表示，“九州的半导体产业非常发达，许多公司都涉足半导体制造工艺。”在筑波中心工作、混合功能集成研究部的竹井佑介指出了目前的情况，他说：“用于 CMP（化学机械抛光）的电镀溶液和抛光液（称为浆料）通常是由拥有特殊技术的中小型专业制造商。”此外，与坂田一样在九州中心进行研究的传感技术研究部门的岩崎渡说，“日本有很多中小型电镀制造商。AIST希望与这些公司合作，帮助增强日本的工业。”

草坂、武井、岩崎和坂田专注于广泛的研究课题，并且是跨学科的。让我们看看在九州中心精炼传感技术的坂田和岩崎，以及在筑波中心研究工艺技术的草坂和竹井正在进行什么样的研究，以便为半导体制造后端工艺的复杂化做出贡献。

可视化“看不见的伤疤”的传感技术

　在半导体制造中，抛光至镜面且平坦的表面需要通过多个步骤完成。坂田说：“当对用于制造再分布层的半导体晶圆和玻璃基板进行抛光时，抛光过程中可能会出现划痕。这些划痕不仅形成在表面上，而且也可能残留在内部。这些内部划痕被称为“潜在划痕”。如果使用具有潜在划痕的半导体晶圆或玻璃基板进行安装，则成品设备可能会出现缺陷。”

　通过表面感应无法检测到潜在划痕。有没有办法发现隐藏的伤害？坂田解释说：“我们开发了一种利用光和压力来显示埋藏划痕的技术。我们通过对硅晶片或玻璃基板施加弯曲力来测量光散射的强度。结果，我们发现表面上的大划痕或灰尘颗粒引起的光散射强度几乎没有变化。由于折射率的变化和光散射强度的变化，我们可以检测到潜在的缺陷。我们将继续进行研究和开发，旨在利用这种方法来发现隐藏在抛光基材中的不可见缺陷，并通过将它们与抛光过程的条件联系起来来稳定过程。''

　坂田是一名研究员，拥有医学工程学博士学位。 “当我开始在 AIST 进行研究时，解决问题的重点从患者转移到设备制造商和设备制造商。但是，我帮助有需要的人的动机仍然是一样的，”他说。解决问题的愿望催生了一种传感技术，该技术结合弯曲应力和光学特性的变化来揭示埋藏的缺陷并为工艺条件提供反馈。

用“电子舌”实时诊断镀液状况

　半导体制造后处理的一个重要部分是用于创建布线和其他布线的电镀工艺。岩崎解释了电镀过程中传感环境的变化，他说：“对于具有 25 维和 3 维等堆叠结构的半导体，电镀难度增加，并且出现了现有测量方法无法解释的结果。高精度产品制造现在需要新的测量技术。”

　AIST拥有高灵敏度电化学测量技术，可以高精度测量液体成分。通过使用人工智能分析被测部件的状态，我们正在开发能够根据电镀液的状态确定电镀是否成功的技术。电镀液中含有微量的各种元素和物质，而用户通常不知道其确切成分和含量。如何测量成分复杂的电镀液的状况？

　岩崎说：“我们的小组正在分析葡萄酒。葡萄酒含有多种成分，从而产生复杂的口味。我们对此进行了高精度测量，并使用人工智能分析来估计原产地和葡萄品种。这是利用人工智能品尝葡萄酒的“电子舌头”。我们正在开发一种技术，通过将葡萄酒转化为电镀液，根据电镀液成分的测量结果，让人工智能实时判断是否可以进行良好的电镀。

　电镀液制造商通过加入独特的添加剂来竞争其电镀液的特性。电镀制造商通过管理状况未知的电镀液来进行电镀，但随着电镀的重复，电镀液的状况不断变化。我们正在开发一种技术，使我们能够实时测量电镀液（黑匣子）的微妙平衡，并立即评估其与电镀质量的关系。

使用印刷技术为电子设备创建微小布线

从制造工艺方面来说，日下的努力旨在创新中工艺和后工艺。通过将印刷技术应用于半导体封装，我们将能够以低成本、低温处理来大面积地布线。

　Kusaka解释说：“喷射墨滴的喷墨方法可以打印到一根头发丝的宽度。但是，它不能用于先进半导体后处理中的布线，并且打印技术在半导体制造中几乎不使用。如果可以比喷墨打印精细10到100倍，那么它可以用于安装半导体、传感器等时的布线。”

印刷使用墨水。液体墨水在干燥时容易产生阴影，因此很难用作布线技术。 “因此，我们开发了一种方法，通过适当控制墨膜的干燥状态并改变将墨膜转移到基板上时的粘附力来创建图案。由于它很容易先作为液体处理，然后在固化后进行印刷，因此可以印刷细至1μm的布线，目前已达到可用于半导体制造中安装布线的水平，”Kusaka说。

　这项名为“粘合剂对比印刷”的技术是偶然的产物。当他不小心撕下重叠的薄膜时，他发现清晰地形成了图案，一种新技术诞生了。

在筑波开设后处理包装基地

　竹井领导的团队致力于推动后制程封装技术的应用和发展，重点关注源自MEMS发展的微细加工技术。 MEMS开发技术越来越多地应用于半导体制造。蚀刻技术就是一个例子。 Takei 和他的团队参与了多种技术的开发，包括 TSV（硅通孔）和 TGV（玻璃通孔），这些蚀刻技术用于为半导体芯片创建三维封装，在硅和玻璃上制作薄孔，以及利用 MEMS 技术的薄膜致动器。相关研究团队也在进行混合键合的研究和开发，即将不同的材料连接在一起成为一种材料，而不是将它们焊接在一起。

此外，作为与半导体制造传感和封装技术工作组直接相关的一项举措，他领导了筑波东地区翻新洁净室的建设。该洁净室将作为新一代混合包装的基础。 “我们在产业技术研究院准备了一间洁净室，可以实际进行硅封装的后处理。名称为‘APARCHE’。^*1”，武井说。

　对于半导体制造的后端流程，工作组促进技术开发和业务协作，半导体制造商和其他人实际执行的流程现在可以在 AIST 内实施。武井表示，“CMP和电镀制造商可以在AIST生产的产品和中介层上尝试精细电镀”^*2并评估其性能。 “AIST 现在将能够提供以前难以从制造商那里获得的测试元件 (TEG)，从而更容易评估先进封装工艺的性能。”

通过联盟活动重振日本半导体行业

　这些技术预计将应用于半导体的后端工艺，将支持实现一个重大改进周期，其中通过传感获得的数据被用于工艺中，并且从工艺中获得的问题被反馈到新传感技术的开发中。这不仅通过跟踪检查来改进流程，而且还形成了流程内感知和判断并立即返回设备状况的循环。另一方面，如果仅在AIST内部进行努力，这些做法并不容易实现社会化。这就是连接 AIST 和公司的倡议 SenTePack 发挥作用的地方。

　Kusaka 介绍了 SenTePack 半导体制造传感和封装技术工作组的活动如下。 “仅在半导体封装领域，从上游到下游，各个行业都是相互关联的，企业要了解全局是相当困难的。因此，工作组希望不仅通过课堂学习，还通过现场参观和讨论，分享参与企业的意识。”

　公司有一些机密信息不能对外泄露。仅仅因为您是工作组成员并不意味着您可以对此持开放态度。尽管如此，以产业技术技术研究所（AIST）为主导，以中立立场为主导，各企业聚集在一起，除了参观产业技术研究所中心外，还可以参观各企业的现场，分享各工序所面临的挑战，扩大视野。从那时起，我们设想了一个将导致各个公司之间合作的未来。

　2025 年 10 月，工作组第二次会议将在九州中心举行，来自 AIST 的成员和福冈超集成半导体解决方案中心的公司将齐聚^*3并参观了AIST的九州中心。九州有很多涉足半导体产业的企业，可以在“产业战线”上积极交换意见，从而带动地区振兴。考虑到这一地区的情况，接近该领域声音的九州中心将推进传感技术并开发尖端的后处理原型设备。

　“日本有许多所谓的全球利基公司，拥有出色的技术。通过与这些公司和AIST联手，我们将创建一个循环，即传感技术在九州中心开发，在过程中实施并在筑波中心验证。”Kusaka展望SenTePack主导的半导体制造的未来时说道。我们希望更多的公司加入SenTePack，共同创造下一代封装技术的未来。

一个新项目正在开始推进，该项目通过连接工艺环境和传感技术，汇集了 AIST 对社会实施的愿望，为日本半导体产业的振兴做出贡献。

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*1：APARCHE：面向混合集成的先进封装研究中心[返回来源]
*2：中介层是放置在芯片和电路板之间的中间层布线板，具有高密度连接多个芯片的“桥梁”作用。它由硅、玻璃等制成，与TSV/TGV技术结合时，可以显着提高芯片之间的连接性能。[返回来源]
*3:福冈县产业科学技术财团福冈超级集成半导体解决方案中心提供从半导体设计、原型开发到评估分析、以及直至商业化的示范评估的持续支持的研发基地。[返回参考源]