堆疊：一種摩爾定律以外的高度集成替代方案

　　摩爾定律的放緩，為滿足行業(yè)大趨勢(shì)嚴(yán)格指標(biāo)要求的新發(fā)明開(kāi)辟了道路。在封裝領(lǐng)域，許多半導(dǎo)體廠商傾向于2.5D和3D堆疊技術(shù)，而硅通孔（TSV）是最早的堆疊技術(shù)之一。經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展和對(duì)MEMS的關(guān)注，它最終進(jìn)入了許多應(yīng)用領(lǐng)域。如今，2.5D和3D堆疊技術(shù)已成為能夠滿足當(dāng)前人工智能（AI）和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用性能需求的唯一解決方案。堆疊技術(shù)已被應(yīng)用于高、中、低端市場(chǎng)的各種硬件，包括3D堆疊存儲(chǔ)、圖形處理單元（GPU）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和CMOS圖像傳感器（CIS）等。

　　各種應(yīng)用中先進(jìn)堆疊封裝技術(shù)的市場(chǎng)機(jī)遇

　　高帶寬存儲(chǔ)（HBM）和CMOS圖像傳感器等硬件占據(jù)了TSV市場(chǎng)的大部分營(yíng)收。堆疊技術(shù)整體市場(chǎng)規(guī)模將在2023年超過(guò)55億美元，在此期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）可達(dá)27%。對(duì)于目前來(lái)說(shuō)，消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)是最大的細(xì)分市場(chǎng)，其市場(chǎng)份額超過(guò)了65%。但矛盾的是，這并不意味著消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)就是這些技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)因素。事實(shí)上，高性能計(jì)算（HPC）是堆疊技術(shù)的真正驅(qū)動(dòng)因素，在2019~2023年期間將呈現(xiàn)最快的增長(zhǎng)速度，市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將從2018年的20%增長(zhǎng)到2023年的40%，就封裝營(yíng)收而言，這相當(dāng)于2018年?duì)I收的6倍以上增長(zhǎng)。相應(yīng)的，消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)份額將減少，而汽車(chē)、醫(yī)療和工業(yè)等其他市場(chǎng)將維持目前的市場(chǎng)份額。

　　2018~2023年按市場(chǎng)細(xì)分的堆疊技術(shù)營(yíng)收

　　從TSV到晶圓級(jí)堆疊，封裝技術(shù)正在蓬勃發(fā)展

　　由于堆疊技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)主要集中在“TSV”和“無(wú)TSV（TSV-less）”之間進(jìn)行，因此Yole在本報(bào)告中針對(duì)這兩類(lèi)技術(shù)進(jìn)行了分析。

　　對(duì)于目前的高端市場(chǎng)，市場(chǎng)上最流行的2.5D和3D集成技術(shù)為3D堆疊存儲(chǔ)TSV，以及異構(gòu)堆疊TSV中介層。Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWos）技術(shù)已經(jīng)廣泛用于高性能計(jì)算應(yīng)用，新的TSV技術(shù)將于2019年上市，即來(lái)自英特爾（Intel）的Foveros（基于“有源”TSV中介層和3D SoC技術(shù)，具有混合鍵合和TSV互連（可能）技術(shù)）。Foveros的出現(xiàn)表明，雖然“TSV”受到了來(lái)自“無(wú)TSV”技術(shù)的挑戰(zhàn)，但廠商仍然對(duì)它很有信心。

　　我們不能忽視“無(wú)TSV”技術(shù)在市場(chǎng)上的興起。這些創(chuàng)新可以劃分為“帶基板型（with substrate）”和“嵌入基板（embedded in substrate）”兩組。嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，是“嵌入基板”組的一種，其Si橋在基板中較深的位置。其他基板技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)中，但仍未上市，例如集成薄膜高密度有機(jī)封裝（I-THOP）和倒裝芯片-嵌入式中介層載具（FC-EIC）等。

　　左邊是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)2.5D封裝的芯片，右邊是英特爾EMIB封裝的芯片

　　圖片來(lái)源：《英特爾嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）》

　　“帶基板型”技術(shù)也用于TSV替代，例如基板上集成扇出型封裝（InFO），它廣泛用于蘋(píng)果公司（Apple）的處理器。此外，再分配層（RDL）中介層技術(shù)目前正在開(kāi)發(fā)中，預(yù)計(jì)將在2020年上市。最后同樣需要注意的是，基板上扇出型芯片（Fan Out Chip on Substrate, FOCoS）于2016年開(kāi)發(fā)并商業(yè)化，但似乎訂單并不多。

　　堆疊技術(shù)賦能的CMOS圖像傳感器發(fā)展路線圖

　　混合鍵合技術(shù)可以橋接“TSV”/“無(wú)TSV”這兩個(gè)主要技術(shù)類(lèi)別。這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特之處在于它可以同時(shí)成為T(mén)SV技術(shù)的挑戰(zhàn)者和支持者。自2016年以來(lái)，它一直被用于智能手機(jī)的CMOS圖像傳感器，并且在不久的將來(lái)，它將作為一種互連解決方案整合存儲(chǔ)和2.5D高端市場(chǎng)。

　　2018年“無(wú)TSV”堆疊技術(shù)概覽

　　誰(shuí)在支持并投資堆疊技術(shù)？

　　各類(lèi)不同的市場(chǎng)參與方都希望在不斷增長(zhǎng)的55億美元堆疊市場(chǎng)中占有一席之地，目前主要有四種商業(yè)模式在堆疊業(yè)務(wù)領(lǐng)域參與競(jìng)爭(zhēng)：代工廠、集成器件制造商（IDM）、外包半導(dǎo)體封測(cè)廠商（OSAT）和IP廠商。

　　據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，臺(tái)積電（TSMC）、聯(lián)華電子（UMC）和格芯（GlobalFoundries）等晶圓代工廠，主導(dǎo)了TSV異構(gòu)堆疊技術(shù)，因?yàn)樗鼈冇心芰ψ约荷a(chǎn)中介層。擁有“Foveros”技術(shù)的英特爾，是唯一一個(gè)試圖在這個(gè)領(lǐng)域參與競(jìng)爭(zhēng)的IDM。

　　對(duì)于3D堆疊存儲(chǔ)，競(jìng)爭(zhēng)主要在IDM“三巨頭”三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）之間，這些公司將繼續(xù)統(tǒng)治堆疊存儲(chǔ)市場(chǎng)。

　　同時(shí)，3D SoC是一種代工技術(shù)，很可能只有一家代工廠會(huì)生產(chǎn)它，以確保高良率并控制風(fēng)險(xiǎn)。在這方面，臺(tái)積電在上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先于格芯。

　　對(duì)于“無(wú)TSV”技術(shù)，競(jìng)爭(zhēng)主要存在于代工廠、IDM、OSAT和基板制造商之間。三星、英特爾和臺(tái)積電等廠商，都參與了“有”和“沒(méi)有”TSV技術(shù)的開(kāi)發(fā)。2016年，OSAT巨頭日月光（ASE）向市場(chǎng)引入了FOCoS技術(shù)，而安靠（Amkor）等其他廠商也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了合適的技術(shù)，但仍然在等待訂單中。

　　日本新光（Shinko）、欣興電子（Unimicron）以及最近的富士通互連科技（Fujitsu Interconnect）等基板公司，仍然在研發(fā)中。IP廠商Xperi的混合鍵合技術(shù)處于“有TSV”和“無(wú)TSV”技術(shù)之間，預(yù)計(jì)將對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生積極影響。Xperi的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其技術(shù)兼容高端和中/低端細(xì)分市場(chǎng)。

　　代工廠、IDM和IP廠商相比OSAT在堆疊技術(shù)方面有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹笳咴讷@得訂單方面有困難。

　　主要堆疊技術(shù)及廠商概覽

　　本報(bào)告涉及的部分公司：Alchip, Aledia, Alibaba, Amazon, AMD, Amkor, AMS, ANPEC, Apple, ASE, ASUS, Atos, Audi, Avago, Baidu, Bosch, Bitmain, BitFury, Broadcom, Canaan, Carsem, Cisco, Cray, DARPA, EBANG, EMmicroelectronic, EPworks, Facebook, Faraday, Fingerprints, Foxconn, Fraunhofer, Fujitsu, Gigabyte, GlobalFoundries, Google, GUC, HalongMining, HLMC, HP, Huatian, Huawei, Ibiden, IBM, Icsens, IMEC, Inari Technology, Infineon, Innosilicon, Intel, InvenSense, JCET STATS ChipPAC, Juniper, Lenovo, Leti, Lfoundry, LGinnotek, mCube, Melexis, Memsic, Mercedes-Benz, Micralyne, Micron, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, NXP, Omnivision, ON Semiconductor, OpenSilicon, Osram, PTI, Samsung, SensL, Shinko, SK Hynix, SMIC, Sony, SPIL, STMicroelectronics, Tencent, TF, Toshiba, TPK, TSMC, UMC, Unimicron, Xfab, Xilinx, Xintek, XMC, Xperi, YMTC...