3D封裝的發展現狀及趨勢

李振華+加海

摘要：隨著國際電子信息行業新的變革，3D封裝蓬勃興起。本文將從發展現狀和未來發展趨勢兩個方面對當前3D封裝技術加以闡述，使大家對3D封裝技術的重要性及其意義有大致的了解。

關鍵詞：3D封裝，現狀，趨勢

一 3D封裝的發展現狀

3D封裝號稱是超越摩爾定律瓶頸的最大“殺手锏”，但是對于大部分應用而言，3D封裝和2.5D封裝工藝仍然太昂貴了，但是可以利用這種工藝的優勢并讓消費者買單的一些高端應用正在進行這種新工藝的嘗試。不要指望3D封裝芯片會很快出現在你的手機上，但在路由器、服務器以及高端的東西上已經開始看到3D 封裝芯片的身影。三星做的一項研究顯示，相較于層疊封裝設計（就像目前蘋果的Ax系列處理器的設計），3D封裝和2.5D封裝工藝可以做到在封裝尺寸下降、功耗下降的同時帶寬可以大幅度增長。在這些高價位的設計中3D封裝工藝的價值開始凸顯【1】。

業界現在也出現了一些非常高規格的3D封裝器件。最早出現的是Xilinx公司的高端FPGA，但它的出貨量非常低，價格也非常高，所以關于讓3D封裝工藝的價格真正降下來這件事，它并不能提供多少參考價值，而且事實上它也只是2.5D封裝的產品，還不是真正的3D封裝。三星發布了其DDR4 DRAM 3D DIMM模塊。美光的混合存儲立方體即將開始正式量產：這個存儲器件在四個內存芯片上堆疊一個實現了所有控制邏輯的邏輯芯片。SK海力士和三星也宣布他們的3D封裝內存產品正在進入大批量生產階段。

AMD（ATI）發布了采用20nm工藝的3D堆疊高帶寬內存（HBM），計劃在明年第二季度開始供貨。Nvidia也表示將在2016年引入3D封裝工藝，英特爾曾表示他們已經掌握了這項技術，但還沒有公布任何相關產品，可是別忘了他們是英特爾。在低端市場上，Matrox已經宣布下一代GPU模塊將采用AMD的3D堆疊工藝。如果想上頭條，就得追趕潮流。

也有一些其他的設計采用了3D封裝工藝。它們的共同特征是定位高端市場，這樣，盡管3D封裝仍然昂貴，但它具有較高的性能/帶寬比，有需求的高端市場可以承受這種成本。我不知道美光HMC的成本，但他們承認，比起購買相同數量的普通DRAM要大得多。但HMC性能是如此得高，所以如果你正在建設高端服務器或路由器，使用 HMC仍然是值得的。

近年來，SoC的最大推動力是移動設備，但移動設備對成本實在太敏感。高通曾經說過，內插器的成本太高了，而現在移動市場所有的增長都是來自低端市場，別指望3D封裝會很快出現在移動應用中。

對于真正的大芯片，采用2.5D封裝工藝可以節省更多。幾年前我在一個3D封裝工作間里觀看eSlilicon在賽靈思的器件上運行成本模型，他們在4 個小芯片上做了一個2.5D封裝的內插器，模型計算的結果是，與在一個不成熟的工藝上采用最大尺寸的模具相比，2.5D封裝可以節省80%的成本。

2015年是一個3D封裝年，這次，3D封裝如約而至。是的，雖然現在還只能在高端設備中看到它，但隨著產品逐漸上量和它在產業鏈中的滲透，慢慢地，3D封裝工藝會逐漸成熟并變得更加經濟。目前似乎沒有任何重大的技術問題（我們知道如何構建TSV，當然這個過程會變得更好更合理；我們知道如何裝配和脫粘背襯材料，這樣，當我們將模具變薄時會更加可控；不同的熱膨脹造成的應力問題似乎也可以得到很好的管理）。所以，真正的大問題似乎是進行上量試產，并決定在哪個器件中使用它。

二 3D封裝的未來發展趨勢

2016年8月，在美國加利福尼亞州圣克拉拉舉辦的閃存峰會上，三星公司宣布關于立體堆疊3D閃存V-NAND已經實現64層晶粒堆疊，存儲密度再創新高，超過了剛經過測評的Portable SSD T3中的48層V-NAND立體堆疊。在此之前，今年上半年，我國武漢新芯集成電路制造有限公司獲得國家集成電路產業投資基金及其他公240億美元的投資，著力于3D-NAND的研發與生產，據稱其實驗室已經實現了32層晶粒堆疊封裝。由此，3D封裝技術在全球掀起的熱潮可見一斑，業內人士更是將其視為我國集成電路半導體產業實現彎道超車的重要機遇【2】。

集成電路封裝是集成電路技術領域的重要生產環節，近年來計算機、通信相關技術的發展，對集成電路封裝技術提出了更高的要求，即更小、更薄、更輕、更可靠、多功能、低功耗和低成本。在二維組裝密度已經達到理論最大值的情況下，更高密度的三維立體堆疊封裝技術（3D封裝）開始發展起來。本文的分析數據來自中國專利數據庫（CPRSABS），截至2015年12月31日，3D封裝技術領域涉及的中國專利申請共有4316件。

國內申請人研發熱情高漲

3D封裝是在2D-MCM技術基礎上發展起來的高級多芯片組件技術，采用三維（x、y、z方向）結構形式對IC芯片進行三維集成的技術。3D封裝與常規的晶圓級封裝（WLP）、芯片級封裝（CSP）等電子封裝技術相比，由于取代了單芯片封裝，因而封裝尺寸和重量顯著減小。此外，3D封裝還有利于降低噪聲，提高電子系統的整體性能及可靠性等。

進入上世紀90年代，3D封裝技術領域開始出現少量專利申請，2003年以后，申請量開始大幅增加，達到每年100余件。近5年，專利申請量更是快速增長，2011年申請量為434件，2012年一躍達到666件，2013年達到711件。2014年和2015年申請量有所下降，但這主要是由于專利公開期限導致的滯后性，并不能反映2014年至2015年的實際申請量。由此可見，3D封裝技術備受關注，各國申請人在該領域都具有較高的研發熱情，同時，申請量的大幅提高，也說明各國申請人對3D封裝技術在我國的市場前景抱有很高的期望。

通過分析3D封裝領域申請人的分布情況，發現國內申請人的申請量達到2301件，占總申請量的一半以上，國內申請人對此領域非常重視。筆者分析國內申請人的申請趨勢發現，2011年申請量為206件，2012年申請量為405件，2013年申請量為529件，占當年申請總量的比例分別為47.4%，60.8%和74.4%，在申請總量中的比例大幅增加。可以說，國內申請人在申請量方面相對國外來華申請人占據了較大優勢，對封裝技術領域的技術趨勢把握準確，在此領域投入了相當大的研發力量。

通過研究發現，國內申請人提交的專利申請量雖然占優，但是申請人研發力量分散，企業申請量占近75%，其他為科研院所、個人申請等。我國申請量較為突出的是江蘇長電科技股份有限公司，申請量為63件；武漢新芯集成電路制造有限公司的專利申請量為38件。國外來華申請人則以企業為主，占全部國外來華申請人數量的94%以上。國外申請人中，三星公司申請量最多，達到137件，其余申請量較為突出的為海力士、IBM、精工、東芝、松下等，主要申請人集中在韓國和日本。

國外申請人技術優勢明顯

經歷40多年的發展后，封裝技術已經有了很大變化，類型多達幾十種。總體來說，封裝技術發展可以分為三代：第一代是在20世紀70至80年代，包括單列直插封裝（SIP）、無引線四邊扁平封裝（PQFN）等；第二代是在20世紀90年代后，主要封裝類型有焊球陣列封裝（BGA）、陣列引腳封裝（PGA）、柵格陣列封裝（LGA）等；而3D封裝與系統級封裝（SiP）、多芯片組件（MCM）技術等都屬于第三代封裝技術【3】。

值得注意的是，國內申請人提交的專利申請涉及的技術比較分散，尚未形成規模優勢。以申請量最多的江蘇長電科技股份有限公司為例，該公司在封裝領域的申請量有近千件，但涉及3D封裝技術的專利申請量所占比例還較小。而美、日、韓等國，在半導體封裝領域具備技術優勢，尤其日、韓兩國，封裝制造業發達，并且一直引領封裝技術發展趨勢。如日本電氣、三星公司和海力士，在三代封裝技術上的申請量幾乎平分秋色，而申請量非常突出的三星公司和海力士近年來在封裝技術領域的申請重點一直都是3D封裝技術。

綜上所述，3D封裝技術發展迅猛，國內外申請人在該領域都投入了較多的研發力量。國外申請人，尤其是三星公司、海力士等業界巨頭，對新興技術研究深入，技術發展脈絡清晰，仍然保持明顯的技術優勢。國內申請人在3D封裝技術研發方面也表現了相當高的熱情，近年來申請總量也有明顯增加，但是研究的深入程度相對于行業領先者尚有差距。

三 總結

通過對3D封裝技術的發展現狀以及未來發展趨勢的分析，我們了解了什么是3D封裝技術以及它的應用。通過分析，我們了解到3D封裝技術的未來前景是很光明的，我國應該大力扶持3D封裝技術的發展。endprint