2.5D和3D封裝技術(shù)有何異同？異構(gòu)整合的優(yōu)點(diǎn)

DIGITIMES Research觀察，伴隨CPU、GPU、FPGA等高效能運(yùn)算（HPC）芯片性能要求持續(xù)提升，覆晶封裝（Flip Chip；FC）、層疊封裝（Package on Package；PoP）等傳統(tǒng)封裝技術(shù)已不敷使用，使2.5D/3D封裝技術(shù)需求逐漸增加，吸引半導(dǎo)體制造業(yè)者積極布局，其中，IDM與晶圓代工業(yè)者2.5D技術(shù)發(fā)展相對(duì)委外半導(dǎo)體封測(cè)（OSAT）業(yè)者成熟、完整，也具有多年量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，3D封裝技術(shù)則將陸續(xù)開(kāi)花結(jié)果。

覆晶封裝雖是現(xiàn)行芯片封裝主流技術(shù)，然2.5D/3D封裝提供較覆晶封裝7~8倍以上的I/O數(shù)增量，以及更高密度集成更多芯片／模塊，有助芯片提升效能、改善功耗等，增加HPC芯片業(yè)者采用2.5D/3D技術(shù)的誘因。具體來(lái)看，NVIDIA與超微（AMD） CPU與GPU、英特爾（Intel）與賽靈思（Xilinx） FPGA等多為2.5D封裝，而英特爾Lakefield CPU更是首個(gè)以3D封裝的CPU。

HPC芯片所催生的2.5D/3D封裝商機(jī)吸引IC制造業(yè)者積極布局，其中，英特爾、三星電子（Samsung Electronic）與臺(tái)積電已具成熟的2.5D封裝經(jīng)驗(yàn)；3D封裝部分，英特爾已量產(chǎn)Foveros技術(shù)，三星與臺(tái)積電則將在2021~2022年陸續(xù)量產(chǎn)。日月光、安靠（Amkor）等OSAT業(yè)者雖布局2.5D/3D封裝，但技術(shù)方案仍不若IDM與晶圓代工業(yè)者完整，然逐漸強(qiáng)化中。

2.5D和3D封裝技術(shù)有何異同？

除了先進(jìn)制程之外，先進(jìn)封裝也成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù)，像是2.5D、3D等技術(shù)在近年來(lái)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)議題。究竟，先進(jìn)封裝是如何在延續(xù)摩爾定律上扮演關(guān)鍵角色？而2.5D、3D等封裝技術(shù)又有何特點(diǎn)？

人工智能（AI）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、5G 等應(yīng)用相繼興起，且皆須使用到高速運(yùn)算、高速傳輸、低延遲、低耗能的先進(jìn)功能芯片；然而，隨著運(yùn)算需求呈倍數(shù)成長(zhǎng)，究竟要如何延續(xù)摩爾定律，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一大挑戰(zhàn)。

芯片微縮愈加困難，異構(gòu)整合由此而生

換言之，半導(dǎo)體先進(jìn)制程紛紛邁入了7 納米、5 納米，接著開(kāi)始朝3 納米和2 納米邁進(jìn)，電晶體大小也因此不斷接近原子的物理體積限制，電子及物理的限制也讓先進(jìn)制程的持續(xù)微縮與升級(jí)難度越來(lái)越高。

也因此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)除了持續(xù)發(fā)展先進(jìn)制程之外，也「山不轉(zhuǎn)路轉(zhuǎn)」地開(kāi)始找尋其他既能讓芯片維持小體積，同時(shí)又保有高效能的方式；而芯片的布局設(shè)計(jì)，遂成為延續(xù)摩爾定律的新解方，異構(gòu)整合（Heterogeneous Integration Design Architecture System，HIDAS）概念便應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)成為IC 芯片的創(chuàng)新動(dòng)能。

▲異構(gòu)整合成為實(shí)現(xiàn)小體積、高效能芯片的另一種方式。（Source：SEMI）

所謂的異構(gòu)整合，廣義而言，就是將兩種不同的芯片，例如記憶體＋邏輯芯片、光電＋電子元件等，透過(guò)封裝、3D 堆疊等技術(shù)整合在一起。換句話(huà)說(shuō)，將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起，都可稱(chēng)為是異構(gòu)整合。

因?yàn)閼?yīng)用市場(chǎng)更加的多元，每項(xiàng)產(chǎn)品的成本、性能和目標(biāo)族群都不同，因此所需的異構(gòu)整合技術(shù)也不盡相同，市場(chǎng)分眾化趨勢(shì)逐漸浮現(xiàn)。為此，IC 代工、制造及半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者紛紛投入異構(gòu)整合發(fā)展，2.5D、3D 封裝、Chiplets 等現(xiàn)今熱門(mén)的封裝技術(shù)，便是基于異構(gòu)整合的想法，如雨后春筍般浮現(xiàn)。

2.5D 封裝有效降低芯片生產(chǎn)成本

過(guò)往要將芯片整合在一起，大多使用系統(tǒng)單封裝（System in a Package，SiP）技術(shù)，像是PiP（Package in Package）封裝、PoP（Package on Package）封裝等。然而，隨著智能手機(jī)、AIoT 等應(yīng)用，不僅需要更高的性能，還要保持小體積、低功耗，在這樣的情況下，必須想辦法將更多的芯片堆積起來(lái)使體積再縮小，因此，目前封裝技術(shù)除了原有的SiP 之外，也紛紛朝向立體封裝技術(shù)發(fā)展。

立體封裝概略來(lái)說(shuō)，意即直接使用矽晶圓制作的「矽中介板」（Silicon interposer），而不使用以往塑膠制作的「導(dǎo)線(xiàn)載板」，將數(shù)個(gè)功能不同的芯片，直接封裝成一個(gè)具更高效能的芯片。換言之，就是朝著芯片疊高的方式，在矽上面不斷疊加矽芯片，改善制程成本及物理限制，讓摩爾定律得以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)。

而立體封裝較為人熟知的是2.5D 與3D 封裝，這邊先從2.5D 封裝談起。所謂的2.5D 封裝，主要的概念是將處理器、記憶體或是其他的芯片，并列排在矽中介板（Silicon Interposer）上，先經(jīng)由微凸塊（Micro Bump）連結(jié)，讓矽中介板之內(nèi)金屬線(xiàn)可連接不同芯片的電子訊號(hào)；接著再透過(guò)矽穿孔（TSV）來(lái)連結(jié)下方的金屬凸塊（Solder Bump），再經(jīng)由導(dǎo)線(xiàn)載板連結(jié)外部金屬球，實(shí)現(xiàn)芯片、芯片與封裝基板之間更緊密的互連。

▲ 2.5D和3D封裝是熱門(mén)的立體封裝技術(shù)。（Source：ANSYS）

目前為人所熟知的2.5D 封裝技術(shù)，不外乎是臺(tái)積電的CoWoS。CoWoS 技術(shù)概念，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是先將半導(dǎo)體芯片（像是處理器、記憶體等），一同放在矽中介層上，再透過(guò)Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至底層基板上。換言之，也就是先將芯片通過(guò)Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至矽晶圓，再把CoW 芯片與基板連接，整合成CoWoS；利用這種封裝模式，使得多顆芯片可以封裝到一起，透過(guò)Si Interposer 互聯(lián)，達(dá)到了封裝體積小，功耗低，引腳少的效果。

▲臺(tái)積電CoWos封裝技術(shù)概念。（Source：臺(tái)積電）

除了CoWos 外，扇出型晶圓級(jí)封裝也可歸為2.5D 封裝的一種方式。扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)的原理，是從半導(dǎo)體裸晶的端點(diǎn)上，拉出需要的電路至重分布層（Redistribution Layer），進(jìn)而形成封裝。因此不需封裝載板，不用打線(xiàn)（Wire）、凸塊（Bump），能夠降低30% 的生產(chǎn)成本，也讓芯片更薄。同時(shí)也讓芯片面積減少許多，也可取代成本較高的直通矽晶穿孔，達(dá)到透過(guò)封裝技術(shù)整合不同元件功能的目標(biāo)。

當(dāng)然，立體封裝技術(shù)不只有2.5D，還有3D 封裝。那么，兩者之間的差別究竟為何，而3D 封裝又有半導(dǎo)體業(yè)者正在采用？

相較于2.5D 封裝，3D 封裝的原理是在芯片制作電晶體（CMOS）結(jié)構(gòu)，并且直接使用矽穿孔來(lái)連結(jié)上下不同芯片的電子訊號(hào)，以直接將記憶體或其他芯片垂直堆疊在上面。此項(xiàng)封裝最大的技術(shù)挑戰(zhàn)便是，要在芯片內(nèi)直接制作矽穿孔困難度極高，不過(guò)，由于高效能運(yùn)算、人工智能等應(yīng)用興起，加上TSV 技術(shù)愈來(lái)愈成熟，可以看到越來(lái)越多的CPU、GPU 和記憶體開(kāi)始采用3D 封裝。

▲ 3D封裝是直接將芯片堆疊起來(lái)。（Source：英特爾）

臺(tái)積電、英特爾積極發(fā)展3D 封裝技術(shù)

在3D 封裝上，英特爾（Intel）和臺(tái)積電都有各自的技術(shù)。英特爾采用的是「Foveros」的3D 封裝技術(shù)，使用異構(gòu)堆疊邏輯處理運(yùn)算，可以把各個(gè)邏輯芯片堆棧一起。也就是說(shuō)，首度把芯片堆疊從傳統(tǒng)的被動(dòng)矽中介層與堆疊記憶體，擴(kuò)展到高效能邏輯產(chǎn)品，如CPU、繪圖與AI 處理器等。以往堆疊僅用于記憶體，現(xiàn)在采用異構(gòu)堆疊于堆疊以往僅用于記憶體，現(xiàn)在采用異構(gòu)堆疊，讓記憶體及運(yùn)算芯片能以不同組合堆疊。

另外，英特爾還研發(fā)3 項(xiàng)全新技術(shù)，分別為Co-EMIB、ODI 和MDIO。Co-EMIB 能連接更高的運(yùn)算性能和能力，并能夠讓兩個(gè)或多個(gè)Foveros 元件互連，設(shè)計(jì)人員還能夠以非常高的頻寬和非常低的功耗連接模擬器、記憶體和其他模組。ODI 技術(shù)則為封裝中小芯片之間的全方位互連通訊提供了更大的靈活性。頂部芯片可以像EMIB 技術(shù)一樣與其他小芯片進(jìn)行通訊，同時(shí)還可以像Foveros 技術(shù)一樣，通過(guò)矽通孔（TSV）與下面的底部裸片進(jìn)行垂直通訊。

同時(shí)，該技術(shù)還利用大的垂直通孔直接從封裝基板向頂部裸片供電，這種大通孔比傳統(tǒng)的矽通孔大得多，其電阻更低，因而可提供更穩(wěn)定的電力傳輸；并透過(guò)堆疊實(shí)現(xiàn)更高頻寬和更低延遲。此一方法減少基底芯片中所需的矽通孔數(shù)量，為主動(dòng)元件釋放了更多的面積，優(yōu)化裸片尺寸。

而臺(tái)積電，則是提出「3D 多芯片與系統(tǒng)整合芯片」（SoIC）的整合方案。此項(xiàng)系統(tǒng)整合芯片解決方案將不同尺寸、制程技術(shù)，以及材料的已知良好裸晶直接堆疊在一起。

臺(tái)積電提到，相較于傳統(tǒng)使用微凸塊的3D 積體電路解決方案，此一系統(tǒng)整合芯片的凸塊密度與速度高出數(shù)倍，同時(shí)大幅減少功耗。此外，系統(tǒng)整合芯片是前段制程整合解決方案，在封裝之前連結(jié)兩個(gè)或更多的裸晶；因此，系統(tǒng)整合芯片組能夠利用該公司的InFO 或CoWoS 的后端先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)進(jìn)一步整合其他芯片，打造一個(gè)強(qiáng)大的「3D×3D」系統(tǒng)級(jí)解決方案。

▲臺(tái)積電SoIC整合方案。（Source：臺(tái)積電）

此外，臺(tái)積電亦推出3DFabric，將快速成長(zhǎng)的3DIC 系統(tǒng)整合解決方案統(tǒng)合起來(lái)，提供更好的靈活性，透過(guò)穩(wěn)固的芯片互連打造出強(qiáng)大的系統(tǒng)。藉由不同的選項(xiàng)進(jìn)行前段芯片堆疊與后段封裝，3DFabric 協(xié)助客戶(hù)將多個(gè)邏輯芯片連結(jié)在一起，甚至串聯(lián)高頻寬記憶體（HBM）或異構(gòu)小芯片，例如類(lèi)比、輸入/輸出，以及射頻模組。3DFabric 能夠結(jié)合后段3D 與前段3D 技術(shù)的解決方案，并能與電晶體微縮互補(bǔ)，持續(xù)提升系統(tǒng)效能與功能性，縮小尺寸外觀，并且加快產(chǎn)品上市時(shí)程。
編輯：lyn