先進封裝：半導體廠商的新戰場

電子發燒友報道（文/程文智）以前，摩爾定律是半導體產業的指南針，每兩年在同樣面積芯片上的晶體管數量就會翻一番。但現在，先進工藝走到5nm后，已經越來越難把更多的晶體管微縮，放到同樣面積的芯片上，因此先進廠商除了繼續推進摩爾定律外，也需要思考其他的方式來制造更高效能的半導體芯片。
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此時，先進封裝技術就變成了一個重要的領域，成為了半導體先進工藝領導廠商的最新戰場。業內人士普遍預測未來10到20年，集成電路將主要通過異質結構系統集成來提升芯片密度和性能，實現功耗的降低和集成更多的功能。世界前三大先進工藝廠商已經率先布局，臺積電、三星電子和英特爾都提出了相應的先進封裝技術。
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先進封裝的市場規模

據市場調研機構Yole Development在今年9月份發布的報告顯示，2019年整個IC封裝市場的規模為680億美元，其中先進封裝的市場規模為290億美元，占了42.6%。同時，Yole還預測，2019年~2025年，先進封裝的市場規模將會以6.6%的年復合增長率持續增長，到2025年將會達到420億美元。
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圖1：2019年~2025年芯片封裝技術市場規模預測。（數據來源：Yole）

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而且，Yole還在報告中表示，由于摩爾定律放緩和異構集成，以及包括5G、AI、HPC和IoT在內應用的推動，先進封裝的發展勢頭不可阻擋，預計到2025年，先進封裝的市場規模將會占整個IC封裝市場規模的一半。
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Yole的分析師Santosh Kumar補充說，2020年由于新冠疫情的影響，其實先進封裝的市場規模并沒有如預期的增長，而是下滑了7%左右，傳統封裝市場規模下滑了15%。不過，他同時強調，2020年的下滑是意外事件，2021年應該會重拾升勢。
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先進封裝主要是指采用了非引線鍵合技術的封裝，主要有Fan-out、Flip-Chip、Fan-in WLP、2.5D、3D封裝，以及埋入式等封裝技術。在先進封裝中，不同的技術增長率也有所不同，其中3D封裝年復合增長率最為快速，為25%。
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另據中國半導體協會統計，2019年，中國大陸封測企業數量已經超過了120家，自2012年至2018年，封裝測試業的市場規模從2012年的1034億元，增長至2018年的2196億元，復合增速為13.38%。2020年上半年我國集成電路產業銷售額為3539億元，同比增長16.1%。其中封裝測試業銷售額1082.4億元，同比增長5.9%。
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長電科技中國區研發中心副總經理李宗懌在最近的一次演講中表示，近年來先進封裝的發展是大勢所趨，一是智能系統的集成在封裝上是趨勢；二是多種先進封裝技術的混合或混搭是近幾年的熱點；三是封裝在向小、輕、薄方向發展；四是受AI/HPC的推動，其后期組裝的大顆Flip-Chip封裝產品不是在向小方向發展，而是越來越大，預計2020年后的未來3年內很有可能出現100×100mm的尺寸規模。
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也正是在這個大趨勢下，半導體行業各大廠商競相投資布局，一場先進封裝技術競賽已然拉開了帷幕。
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各大廠商的先進封裝近況

臺積電方面，在封裝技術上陸續推出 2.5Ｄ的高端封裝技術 CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate），以及經濟型的扇出型晶圓InFO（ Integrated Fan-out ）等先進封裝技術后，2020年8月，在其線上技術研討會上，臺積電副總裁余振華宣布推出3DFabric整合技術平臺，其中包括了前端封裝技術（SoIC技術和CoW、WoW兩種鍵合方式）和后端封裝技術（CoWoS和InFO系列封裝技術）。

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3DFabric可將各種邏輯、存儲器件或專用芯片與SoC集成在一起，為高性能計算機、智能手機、IoT邊緣設備等應用提供更小尺寸的芯片，并且可通過將高密度互連芯片集成到封裝模塊中，從而提高帶寬、延遲和電源效率。
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這帶來的好處是：客戶可以在模擬IO、射頻等不經常更改、擴展性不大的模塊上采用更成熟、更低成本的半導體技術，在核心邏輯設計上采用最先進的半導體技術，既節約了成本，又縮短了新產品的上市時間。臺積電認為，芯片在2D層面的微縮已不能滿足異構集成的需求，3D才是未來提升系統效能、縮小芯片面積、整合不同功能的發展趨勢。
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在11月份，臺積電開始與Google和AMD等廠商一同測試，合作開發先進的3D堆棧晶圓級封裝產品，并計劃2022年進入量產。
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臺積電將此3D堆棧技術命名為“SoIC封裝”，可以垂直與水平的進行芯片鏈接及堆棧封裝。此技術可以讓幾種不同類型的芯片，比如處理器、內存與傳感器堆棧到同一個封裝中。這種技術能可讓芯片組功能更強大，但尺寸更小，且具有更高能效。
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據了解，臺積電正在興建中的苗栗竹南廠將采用這種3D堆棧技術。而 Google 和 AMD 將成為 SoIC 芯片的首批客戶。這兩家客戶正協助臺積電進行 3D堆棧技術的測試及驗證。苗栗竹南廠預定明年完工，2022 年開始進入量產。
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據消息人士透露，Google所采用的SoIC芯片將計劃用在自動駕駛及其他的應用領域。AMD則希望通過3D堆棧技術打造出性能超越英特爾的芯片產品。
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英特爾方面，2017年，推出了EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，嵌入式多芯片互連橋接）封裝技術，可將不同類型、不同工藝的芯片IP靈活地組合在一起，類似一個松散的SoC。2018年12月，英特爾再推出Foveros 3D堆疊封裝技術，可以通過在水平布置的芯片之上垂直安置更多面積更小、功能更簡單的小芯片來讓方案整體具備更完整的功能。
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2019年7月， 英特爾在SEMICON West 大會上分享了三項全新先進封裝技術技術，Co-EMIB、全方位互連技術ODI（Omni-Directional Interconnect）、全新裸片間接口技術MDIO。Co-EMIB可以理解為EMIB和Foveros兩項技術的結合，在水平物理層互連和垂直互連的同時，實現Foveros 3D堆疊之間的水平互連。
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2020年8月，英特爾在其2020年架構日中，展示了其在3D封裝技術領域中的新進展，英特爾稱其為“混合結合（Hybrid bonding）”技術。
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據介紹，混合結合技術能夠加速實現10微米及以下的凸點間距(Pitch)，提供更高的互連密度、更小更簡單的電路、更大的帶寬、更低的電容、更低的功耗(每比特不到0.05皮焦耳)。
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Intel目前的3D Foveros立體封裝技術，可以實現50微米左右的凸點間距，每平方毫米集成大約400個凸點，而應用新的混合結合技術，不但凸點間距能縮小到1/5，每平方毫米的凸點數量也能超過1萬，增加足足25倍。
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采用混合結合封裝技術的測試芯片已在2020年第二季度流片，但是Intel沒有披露未來會在什么產品上商用。
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三星電子方面，2015年在丟失蘋果iPhone處理器代工訂單后，三星電子成立了特別工作小組，目標開發先進封裝FOPLP技術。2018年，三星電子FOPLP技術實現商用，應用于其自家智能手表Galaxy Watch的處理器封裝應用中。
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2019年10月，三星電子宣布已率先開發出12層3D-TSV技術。三星電子方面表示，這是大規模生產高性能芯片的最具挑戰性的封裝技術之一，該技術可垂直堆疊12個DRAM芯片，它們通過60000個TSV互連，每一層的厚度僅有頭發絲的1/20。
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2020年8月，三星電子宣布其采用3D封裝技術的7納米半導體的試制取得成功。該公司高管表示“如果利用3D這種創新，就能夠跨越半導體的極限”。
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三星電子將這種3D封裝技術命名為“X-Cube”，全稱是eXtended-Cube，意為拓展的立方體。在Die之間的互聯上面，它使用的是成熟的TSV工藝，即硅穿孔工藝。使用X-Cube可以將不同芯片搭積木一樣堆疊起來，三星電子表示，該技術目前已經可以用于7nm及5nm工藝。
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此外，三星已經完成“2.5D RDL”的開發，還計劃在2021年底啟動I-Cube 8X”技術，在5厘米寬、5厘米長芯片上放置8個HGM和邏輯部件，以及結合X-Cube和I-Cube優勢的“X/I Cube”技術。為了使封裝服務多樣化，三星已將世界第二大后端加工公司Amco列入其代工合作伙伴名單。
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除了臺積電、英特爾和三星電子擁有先進封裝技術之外，存儲器廠商美光也在開始自建封測產線、中芯國際在與長電科技合作投建封測廠中芯長電主攻先進封裝、日月光、安靠、長電科技、通富微電，以及天水華天等封測廠商也都緊隨其后，不斷發力先進封裝技術。
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圖：長電科技的SiP產品線發展路線圖。

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比如長電科技在先進封裝上布局非常全面，目前封裝業務主要以先進封裝為主，占封裝業務的93.74%，長電先進、長電韓國以及星科金朋為主要工廠。長電先進具備FC、PoP、Fan-out、WLP、2.5D/3D等先進封裝的能力；星科金朋新加坡廠擁有Fan-out eWLB和WLCSP封裝能力，韓國廠擁有SiP和FC系統封測能力，江陰廠擁有先進的存儲器封裝、全系列的FC倒裝技術；長電韓國主營SiP高端封裝業務。
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結語

目前不僅全球領先的半導體代工廠擁有3D或2.5D的先進封裝技術，封測廠商也在發力先進封裝技術。目前進入先進封裝領域的廠商基本上都是頭部的半導體企業，隨著技術的發展未來將會有更多的廠商加入，競爭才剛剛開始。?