3D封裝技術(shù)開始成為巨頭角逐的重要戰(zhàn)場(chǎng)

自集成電路發(fā)明以來，已經(jīng)歷經(jīng)了數(shù)十載風(fēng)波。在這些年中，半導(dǎo)體先進(jìn)制程按照摩爾定律飛速發(fā)展。如今，隨著摩爾定律放緩，集成電路產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入后摩爾定律時(shí)代。要延續(xù)摩爾定律，解開后端“封裝”技術(shù)的瓶頸成為法門之一。

近幾年來，一些晶圓大廠的發(fā)展重心正在從過去追求更先進(jìn)納米制程，轉(zhuǎn)向封裝技術(shù)的創(chuàng)新。諸如三星、臺(tái)積電、英特爾等芯片制造廠商紛紛跨足封裝領(lǐng)域，3D封裝技術(shù)無疑開始成為巨頭角逐的重要戰(zhàn)場(chǎng)。

為什么是3D封裝？

封裝技術(shù)伴隨集成電路發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生，主要功能是完成電源分配、信號(hào)分配、散熱和保護(hù)。伴隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，封裝技術(shù)也在不斷革新。

此前芯片都是在2D層面展開的，業(yè)內(nèi)研究重點(diǎn)都放在如何實(shí)現(xiàn)單位面積上元器件數(shù)量的增加以及微觀精度的改進(jìn)，之后不少大廠開始拓展思維，研究把一塊芯片從2D展開至3D，套用劉慈欣科幻大作《三體》里的一個(gè)梗，3D芯片對(duì)傳統(tǒng)2D芯片發(fā)動(dòng)了一場(chǎng)“降維打擊”。

3D封裝號(hào)稱是超越摩爾定律瓶頸的最大“殺手锏”，它又稱立體封裝技術(shù)，是在X-Y平臺(tái)的二維封裝的基礎(chǔ)上向z方向發(fā)展的高密度封裝技術(shù)。

與傳統(tǒng)封裝相比，使用3D技術(shù)可縮短尺寸、減輕重量達(dá)40-50倍;在速度方面，3D技術(shù)節(jié)約的功率可使3D元件以每秒更快的轉(zhuǎn)換速度運(yùn)轉(zhuǎn)而不增加能耗，寄生性電容和電感得以降低，同時(shí)，3D封裝也能更有效地利用硅片的有效區(qū)域。這種封裝在集成度、性能、功耗等方面更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)設(shè)計(jì)自由度更高，開發(fā)時(shí)間更短，是各封裝技術(shù)中最具發(fā)展前景的一種。

鑒于這些優(yōu)勢(shì)，先進(jìn)封裝技術(shù)的應(yīng)用似乎不可避免。根據(jù)麥姆斯咨詢?cè)齓ole預(yù)測(cè)，2019年-2024年期間先進(jìn)封裝市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模到2024年將達(dá)到440億美元；與此同時(shí)，傳統(tǒng)封裝市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)僅為2.4%。隨著對(duì)人工智能（AI）需求的增長(zhǎng)，對(duì)半導(dǎo)體的需求將會(huì)大幅增加。

當(dāng)然，對(duì)3D技術(shù)的需求取決于一系列因素，包括智能手機(jī)，平板電腦，可穿戴設(shè)備和其他相關(guān)消費(fèi)品的蓬勃發(fā)展市場(chǎng)，以及多個(gè)半導(dǎo)體公司的生態(tài)系統(tǒng) （不僅僅是幾個(gè)大公司）致力于升級(jí)到更新的封裝技術(shù)。

目前市場(chǎng)上仍然存在關(guān)于3D封裝技術(shù)的不確定性。例如，何時(shí)以及如何采用這些新的封裝配置，誰將在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位？所有半導(dǎo)體行業(yè)的公司（例如，內(nèi)存供應(yīng)商，邏輯制造商，代工廠和封裝分包商）必須探索戰(zhàn)略聯(lián)盟和合作伙伴關(guān)系，以確保開發(fā)出可行的先進(jìn)封裝生態(tài)系統(tǒng)。

對(duì)于IC制造商，代工廠和其他公司來說，還有可能在定價(jià)和數(shù)量方面贏得競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。因此，半導(dǎo)體企業(yè)在高級(jí)封裝方面面臨著至關(guān)重要的決策，他們的目標(biāo)是成為先行者還是快速追隨者決定了這些選擇的復(fù)雜程度。

通過對(duì)三大晶圓代工巨頭在先進(jìn)封裝上的表現(xiàn)，我們或許可以了解一二。

一馬當(dāng)先的臺(tái)積電

說到晶圓廠的封裝布局領(lǐng)先者當(dāng)屬臺(tái)積電，臺(tái)積電在封裝技術(shù)上陸續(xù)推出 2.5Ｄ的高端封裝技術(shù) CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate），以及經(jīng)濟(jì)型的扇出型晶圓InFO（ Integrated Fan-out ）都非常成功，可以說一路從三星手上分食蘋果訂單，到獨(dú)享蘋果訂單，靠的就是封裝技術(shù)領(lǐng)先對(duì)手，將其產(chǎn)業(yè)地位推上另一個(gè)高峰。

早在10年前臺(tái)積電就看出隨著半導(dǎo)體前段工藝的快速微縮，后段封裝技術(shù)會(huì)跟不上前段工藝的腳步，臺(tái)積電技術(shù)往前沖刺的腳步會(huì)因此被拖累，等到那時(shí)，摩爾定律真的會(huì)失效，因此毅然決定投入封裝技術(shù)，在 2008 年底成立導(dǎo)線與封裝技術(shù)整合部門（Integrated Interconnect and Package Development Division， IIPD ）。

2018年4月的美國加州圣塔克拉拉第二十四屆年度技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電首度對(duì)外界公布創(chuàng)新的系統(tǒng)整合單芯片（SoIC）多芯片3D堆疊技術(shù)。根據(jù)臺(tái)積電在會(huì)中的說明，SoIC是一種創(chuàng)新的多芯片堆疊技術(shù)，是一種晶圓對(duì)晶圓的鍵合技術(shù)，SoIC是基于臺(tái)積電的CoWoS（Chip on wafer on Substrate）與多晶圓堆疊（WoW）封裝技術(shù)開發(fā)的新一代創(chuàng)新封裝技術(shù)，可以讓臺(tái)積電具備直接為客戶生產(chǎn)3D IC的能力。

同期亮相的還有WoW技術(shù)，即 Wafer-on-Wafer （WoW，堆疊晶圓），就像是3D NAND閃存多層堆疊一樣，將兩層Die以鏡像方式垂直堆疊起來，有望用于生產(chǎn)顯卡GPU，創(chuàng)造出晶體管規(guī)模更大的GPU。

臺(tái)積電方面表示，這兩個(gè)封裝技術(shù)將會(huì)在公司的先進(jìn)封裝布局中扮演重要角色。而在19年4月，臺(tái)積電宣布完成全球首顆3D IC封裝，預(yù)計(jì)將于2021年量產(chǎn)。

今年4月，臺(tái)積電宣布封裝技術(shù)再升級(jí)，針對(duì)先進(jìn)封裝打造的晶圓級(jí)系統(tǒng)整合技術(shù)（WLSI）平臺(tái)，透過導(dǎo)線互連間距密度和系統(tǒng)尺寸上持續(xù)升級(jí)，發(fā)展出創(chuàng)新的晶圓級(jí)封裝技術(shù)系統(tǒng)整合芯片（TSMC-SoIC），除了延續(xù)及整合現(xiàn)有整合型扇出（InFO）及基板上晶圓上芯片封裝（CoWoS）技術(shù)，提供延續(xù)摩爾定律機(jī)會(huì)，并且在系統(tǒng)單芯片（SoC）效能上取得顯著的突破。

以3D IC為架構(gòu)的TSMC-SoIC先進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)，能將多個(gè)小芯片（Chiplet）整合成一個(gè)面積更小與輪廓更薄的SoC，透過此項(xiàng)技術(shù)，7納米、5納米、甚至3納米的先進(jìn)SoC能夠與多階層、多功能芯片整合，可實(shí)現(xiàn)高速、高頻寬、低功耗、高間距密度、最小占用空間的異質(zhì)3D IC產(chǎn)品。

目前臺(tái)積電已完成TSMC-SoIC制程認(rèn)證，開發(fā)出微米級(jí)接合間距（bonding pitch）制程，并獲得極高的電性良率與可靠度數(shù)據(jù)，展現(xiàn)了臺(tái)積電已準(zhǔn)備就緒，具備為任何潛在客戶用TSMC-SoIC生產(chǎn)的能力。

近日，工研院產(chǎn)科國際所研究總監(jiān)楊瑞臨指出，臺(tái)積電在先進(jìn)封裝領(lǐng)域著墨多時(shí)，因此臺(tái)積電將在先進(jìn)封裝領(lǐng)域?qū)㈩I(lǐng)先對(duì)手。外資并預(yù)期，先進(jìn)封裝將是臺(tái)積電筑起更高的技術(shù)與成本門檻，拉大與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手差距的關(guān)鍵。

英特爾另擇法門

與此同時(shí)，此前因10nm頻頻難產(chǎn)的英特爾也在封裝上卻找到了新的出路，2018年12月，英特爾展示了名為“Foveros”的全新3D封裝技術(shù)，這是繼2018年英特爾推出突破性的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）封裝技術(shù)之后，英特爾在先進(jìn)封裝技術(shù)上的又一個(gè)飛躍。

據(jù)介紹，該技術(shù)是英特爾首次引入了3D堆疊的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)在邏輯芯片上堆疊邏輯芯片。Foveros為整合高性能、高密度和低功耗硅工藝技術(shù)的器件和系統(tǒng)鋪平了道路。英特爾表示，F(xiàn)overos可以將不同工藝、結(jié)構(gòu)、用途的芯片整合到一起，從而將更多的計(jì)算電路組裝到單個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)高性能、高密度和低功耗。Intel表示，該技術(shù)提供了極大的靈活性，設(shè)計(jì)人員可以在新的產(chǎn)品形態(tài)中“混搭”不同的技術(shù)專利模塊、各種存儲(chǔ)芯片、I/O配置，并使得產(chǎn)品能夠分解成更小的“芯片組合”。

據(jù)悉，英特爾從2019年下半年開始推出一系列采用Foveros技術(shù)的產(chǎn)品。首款Foveros產(chǎn)品將整合高性能10納米計(jì)算堆疊“芯片組合”和低功耗22FFL基礎(chǔ)晶片。它將在小巧的產(chǎn)品形態(tài)中實(shí)現(xiàn)世界一流的性能與功耗效率。

近日，英特爾在其2020年架構(gòu)日中，展示了其在3D封裝技術(shù)領(lǐng)域中的新進(jìn)展，英特爾稱其為“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”技術(shù)。

英特爾的官方資料顯示，當(dāng)今大多數(shù)封裝技術(shù)中使用的是傳統(tǒng)的“熱壓結(jié)合（thermocompression bonding）”技術(shù)，混合結(jié)合是這一技術(shù)的替代品。這項(xiàng)新技術(shù)能夠加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。

據(jù)透露，使用“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”技術(shù)的測(cè)試芯片已在2020年第二季度流片。

而其實(shí)在之前，英特爾也在2.5D上有了嘗試，那就是他們的EMIB。

EMIB的全稱是“Embedded Multi-Die Interconnect Bridge”。因?yàn)闆]有引入額外的硅中介層，而是只在兩枚裸片邊緣連接處加入了一條硅橋接層（Silicon Bridge），并重新定制化裸片邊緣的I/O引腳以配合橋接標(biāo)準(zhǔn)。

在扇出封裝上，英特爾其實(shí)也是先行者。在2009年，他們推出了eWLB技術(shù)并對(duì)晶圓級(jí)扇出型封裝才進(jìn)行過商業(yè)化量產(chǎn)。但此時(shí)的扇出型晶圓級(jí)封裝被限制于一個(gè)狹窄的應(yīng)用范圍，僅被用于手機(jī)基帶芯片的單芯片封裝。直到2014年扇出型晶圓級(jí)封裝面臨來自其它封裝技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，使得英特爾移動(dòng)放棄了該項(xiàng)技術(shù)。至今，英特爾在扇出封裝上再無動(dòng)作。

三星亦步亦趨

作為臺(tái)積電的老對(duì)頭，三星在先進(jìn)封裝上自然不甘示弱。針對(duì)2.5D封裝，三星推出了可與臺(tái)積電CoWoS封裝制程相抗衡的I-Cube封裝制程，在2018年三星晶圓代工論壇日本會(huì)議上，三星公布了其封測(cè)領(lǐng)域的路線圖，就2.5D/3D封裝上來說，三星已經(jīng)可以提供I-Cube 2.5D封裝。

韓媒指出，三星與臺(tái)積電在技術(shù)方面沒有較大差距，而在封裝技術(shù)上，臺(tái)積電仍然占據(jù)優(yōu)勢(shì)，不過這優(yōu)勢(shì)或許將被拉平。

近日，三星對(duì)外宣布其全新的芯片封裝技術(shù)X-Cube3D已經(jīng)可以投入使用，三星宣稱該技術(shù)可以使封裝完成的芯片擁有更強(qiáng)大的性能以及更高的能效比。

不同于以往多個(gè)芯片平行封裝，全新的X-Cube3D封裝允許多枚芯片堆疊封裝，使得成品芯片結(jié)構(gòu)更加緊湊。而芯片之間的通信連接采用了TSV技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的導(dǎo)線。據(jù)三星介紹，目前該技術(shù)已經(jīng)可以將SRAM存儲(chǔ)芯片堆疊到主芯片上方，以騰出更多的空間用于堆疊其他組件，目前該技術(shù)已經(jīng)可以用于7nm甚至5nm制程工藝的產(chǎn)品線，也就是說離大規(guī)模投產(chǎn)已經(jīng)十分接近。

三星表示，TSV技術(shù)可以大幅減少芯片之間的信號(hào)路徑，降低功耗的同時(shí)提高了傳輸?shù)乃俾省Ｔ摷夹g(shù)將會(huì)應(yīng)用于最前沿的5G、AI、AR、HPC、移動(dòng)芯片已經(jīng)VR領(lǐng)域，這些領(lǐng)域也都是最需要先進(jìn)封裝工藝的地方。至于芯片發(fā)展的路線，三星與各大芯片廠商保持一致，將會(huì)跳過4nm的制程工藝，直接選用3nm作為下一代產(chǎn)品的研發(fā)目標(biāo)。

據(jù)了解，該技術(shù)將主要應(yīng)用于最前沿的5G、AI、AR、HPC、移動(dòng)芯片等領(lǐng)域中。毫無疑問的是，三星本次研發(fā)成功必定會(huì)讓更多的用戶用上3D封裝的芯片產(chǎn)品，讓更多用戶享受到科技進(jìn)步帶來的紅利。

總結(jié)

至此，全球主要的三家半導(dǎo)體芯片制造廠商均擁有3D或2.5D的封裝技術(shù)。3D封裝技術(shù)的提出，說明了這些廠商的殊途同歸，正在漸漸走進(jìn)未來芯片發(fā)展的同時(shí)一個(gè)方向-不再拘泥于傳統(tǒng)框架，追求更加靈活地設(shè)計(jì)性能更強(qiáng)、功能更豐富、功耗更低、用途更靈活的不同產(chǎn)品。

2019年也許可以成為3D封裝技術(shù)元年，在那一年，英特爾和臺(tái)積電都不約而同拿出殺手锏來宣示彼此霸主地位。而走到2020年，戰(zhàn)爭(zhēng)似乎已經(jīng)升級(jí)，三星的加入更為這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)增加了一把火。這三家廠商在今年對(duì)于業(yè)界高度關(guān)注 3D 封裝技術(shù)分別出招，行業(yè)內(nèi)人士等著看這出“頂尖對(duì)決”的戲碼上演。
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