從SiP到Chiplet三先進封裝持續演進

陳炳欣

摩爾定律的延伸受到物理極限、巨額資金投入等多重壓力，迫切需要別開蹊徑推動技術進步。而通過先進封裝可以相對輕松地實現芯片的高密度集成、體積的微型化和更低的成本，這使得臺積電、英特爾、三星，以及主要封測代工廠商（OSAT）都對先進封裝給予了高度重視，紛紛布局發展這方面的能力。在此情況下，近年來先進封裝技術不斷演進，產業型態也展現出一些新的特征。

.廠商重點布局先進封裝

在需求增長帶動下，越來越多的先進封裝技術被開發出來，先進封裝的市場占比將會進一步擴大。

隨著摩爾定律面臨諸多瓶頸、先進工藝逼近物理極限，業界普遍認為，先進封裝會成為下一階段半導體技術的重要發展方向。臺積電、英特爾、三星三大半導體龍頭企業均提早布局先進封裝技術。

在近日召開的線，上技術研討會中，臺積電副總裁余振華分享了臺積電在先進封裝上的一些發展現狀和未來規劃。余振華強調，臺積電將SoIC、CoWoS、InFO-R、CoW、WoW等先進封裝技術平臺加以整合，統一命名為“TSMC3D Fabric”。此平臺將提供芯片連接解決方案，滿足用戶在整合數字芯片、高帶寬存儲芯片及特殊工藝芯片方面的需求。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。

英特爾也在日前舉辦的架構日活動上介紹了新的先進封裝技術——“混合結合（Hybrid bonding）”。當前，多數封裝技術采用“熱壓結合（thermocompression bond-ing）”，而“混合結合”能夠實現10微米及以下的凸點間距，較Fovreros封裝的25～50微米凸點間距有了明顯提升，并且優化芯片的互連密度、帶寬和功率表現，進一步提升芯片系統的計算效能。使用“混合結合”技術的測試芯片已在2020年第二季度流片。專業封測代工（OSAT）廠商對先進封裝同樣極為重視。長電科技技術市場副總裁包旭升在接受采訪時表示：“目前我們重點發展幾種類型的先進封裝技術。首先是系統級封裝（SiP），隨著5G的部署加快，這類封裝技術的應用范圍將越來越廣泛。其次是應用于Chiplet SiP的2.5D/3D封裝，以及晶圓級封裝，并且利用晶圓級技術在射頻特性上的優勢推進扇出型（Fan-Out）封裝。此外，我們也在開發部分應用于汽車電子和大數據存諸等發展較快的熱門封裝類型。”

事實上，國內三大封測公司均在加大先進封裝，上的投人力度。財報中，長電科技表示2020年下半年將繼續深化總部功能整合，加大先進封裝工藝及產品的研發投人，積極搭建設計服務新業務平臺，不斷強化長電科技核心競爭力并在工廠端落實。

華天科技2020年上半年在先進封裝方面的研發費用達2億元，同比增長15.41%，占營業收入比例為5.4%。

2020年上半年，通富微電在2D、2.5D封裝技術研發上取得突破，SiBridge封裝技術研發拓展，Low-powerDDR、DDP封裝技術研發取得突破。

總之，在市場需求的增長下，越來越多先進封裝技術被開發出來，先進封裝的市場占比將會進一步擴大。

統計數據顯示，從2017年到2023年，整個半導體封裝市場的營收將以5.2%的復合年增長率增長，而先進封裝市場將以7%的復合年增長率增長，市場規模到2023年將增長至390億美元。另一方面，傳統封裝市場的復合年增長率則低于3.3%。

先進封裝技術持續演進

隨著采用多芯片異構集成方式的不斷探索，Chiplet或許將成為未來芯片制造中的重要發展方向。

傳統，上，封裝的目的是將切割好的芯片進行固定、引線和塑封保護。但隨著半導體技術的發展，越來越多前道工藝需要完成的步驟被引入后道工藝當中，兩者的界限變得越來越模糊。隨之而來的是，越來越多超越傳統封裝理念的先進封裝技術被提出。

據包旭升介紹，先進封裝主要涉及芯片厚度減小、尺寸增大及其對封裝集成敏感度的提高，基板線寬距和厚度的減小，互聯高度和中心距的減小，弓腳中心距的減小，封裝體結構的復雜度和集成度提高，以及最終封裝體的小型化發展、功能的提升和系統化程度的提高。

先進封裝的關鍵工藝涉及芯片互聯（WB/打線、FC/倒裝RDL/重布線、TSV/硅穿孔DBI等）和基板（金屬框架、陶瓷基板、有機基板RDLstack/重布線堆疊、異構基板、轉接基板等），芯片、器件的保護與散熱（塑封、空腔、FcBGA和裸芯片/WLC-SP等），以及不同引腳形式（Lead、Non-lead.BGA等）的結合。

SiP是當前應用最為廣泛的先進封裝技術之一，是先進封裝中帶有系統功能的多芯片與器件的一種封裝形式的總稱。SiP可以將一顆或多顆芯片及被動元件整合在一個封裝模塊當中，從而實現具有完整功能的電路集成。這種封裝方式可以降低成本，縮短上市時間，同時克服了芯片系統集成過程中面臨的工藝兼容、信號混合、噪聲干擾、電磁干擾等難題。

隨著先進封裝技術的發展，一種“小芯片（Chiplet）"的發展理念又被提出，成為當前封裝領域最熱門的話題之一。包旭升認為，Chiplet其實也可以算是一種SiP技術，是系統級芯片（SoC）中IP模塊的芯片化。

其主要目的是為了提高良率和降低成本，同時提高設計的靈活度，縮短設計周期。一般來說，一顆SoC芯片中會包含許多不同的IP模塊，隨著芯片制造工藝已經演進到7/5nm，但并不是所有IP模塊都需要做到7/5nm，把一些IP模塊單獨拿出來，做成一個標準化功能的小芯片，這個就可以稱為Chipleto它相當于一個標準化的元件，當這個單獨的標準化元件制造完成之后，可以再和其他的功能模塊，如存儲芯片、應用處理器等封裝在一起，做成一個SiP模塊，執行復雜的功能。

對此，半導體專家莫大康指出，人們在不斷探索采用多芯片異構集成的方式，把一顆復雜的芯片分解成若干個子系統，其中一些子系統可以實現標準化，然后就像IP核一樣把它們封裝在一起。Chiplet或許將成為未來芯片制造當中一個重要的發展方向。

產業結構競合中發展

未來，隨著技術的不斷發展，制造與封裝的競合關系也在不斷演進當中。

除了技術。上的演進，先進封裝的發展對半導體產業結構也在產生新的影響。技術大會上，臺積電表示，其封裝平臺“3DFabric"劃分為兩個部分，“前端”封裝技術和“后端”封裝技術。

按照臺積電定義，諸如CoW（chip-on-wafer）和WoW（wafer-on-wa-fer）等前端芯片堆疊技術統稱為“SoIC”，即集成芯片系統（System of Integrated Chips）。這些技術的目標是在前道工藝部分，即將硅片堆疊在一起。而后端芯片3D封裝包括InFo（Intergrated Fan-Out）和COWoS（Chipon Waferon Substrate）等技術，它們可以在后道工藝中實現不同異質芯片的3D堆疊。

在傳統封裝技術向先進封裝演進的過程中，就有人提出“中道工藝”的概念，使傳統。上前段晶圓制造工藝與后段封裝工藝的界線逐漸模糊。隨著臺積電將先進封裝進一步劃分為“前端”封裝技術和“后端”封裝技術，晶圓制造與封裝的界線將進一步被打破，對于原有設計、制造、封測的產業結構將產生新的影響。

莫大康指出，將來很難清楚劃分前段晶圓制造工藝與后段封裝。比如Chiplet就是一種單元庫，誰有需要誰就可以調用。對于從業者來說，晶圓廠也在做封裝。如果我們的封裝廠只停留在封裝階段，不懂晶圓制造、不懂設計，恐怕封裝也很難搞好，將無法適合未來的競爭形勢。

包旭升也認同這樣的發展趨勢.“2.5D和3D封裝中涉及到許多技術，實際上是前段工藝的一種延續，而晶圓廠在前段環節是有技術優勢的，比如硅轉接板（SiTSV Interposer）封裝、3D微凸塊micro-bumps，或者晶圓的Waferto Wafer高密度連接。而我們后道封裝廠商的優勢在于異質異構的集成。晶圓廠在2.5D和3D技術領域的開發，對我們確實有一定影響，因為他們能夠利用自身優勢，在中道晶圓級環節延續競爭力。但是作為封裝廠，我們也有在2.5D和3D后道封裝領域的經驗積累和技術壁壘。另外，從供應鏈角度考慮，很多客戶還是期待專業化的分工，希望晶圓廠專注做好芯片，封裝再單獨找其他廠商來做。”包旭升說。

未來，隨著技術的發展，制造與封裝的競合關系也在不斷演進當中。