中介層、EMIB、Foveros、die對(duì)die的堆疊、ODI、AIB和TSV。所有這些單詞和首字母縮寫詞都具有一個(gè)重要的功能，它們都涉及硅的兩個(gè)位之間如何物理連接。簡(jiǎn)單來說，可以通過印刷電路板連接兩個(gè)芯片。這種方案很便宜，但沒有太大的帶寬。在這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)之上，還有多種方法可以將多個(gè)小芯片連接在一起，而臺(tái)積電擁有許多這樣的技術(shù)。為了統(tǒng)一其2.5D和3D封裝變體的所有不同名稱，TSMC在早前的技術(shù)大會(huì)上推出了其新的首要品牌：3DFabric。
3DFabric作為一個(gè)品牌具有一定的意義，可以將臺(tái)積電提供的數(shù)十種封裝技術(shù)結(jié)合在一起。從廣義上講，3DFabric分為兩個(gè)部分：一方面是所有“前端”芯片堆疊技術(shù)，例如晶圓上芯片，而另一方面是“后端”封裝技術(shù)，例如InFO（Integrated Fan-Out））和CoWoS（Chip-On-Wafer-On-Substrate）。
在我們之前的文章《一文看懂臺(tái)積電的技術(shù)布局》里，我們對(duì)這方面有了初步的說明，來到本文，我們來深入了解一下這家晶圓代工廠的先進(jìn)封裝技術(shù)。并將其與其他工廠的相似競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。
臺(tái)積電為什么聚焦先進(jìn)封裝
在大家一貫的理解中，臺(tái)積電所從事的其實(shí)是晶圓代工的業(yè)務(wù)。但進(jìn)入新世紀(jì)，無論是臺(tái)積電，還是三星甚至Intel，都把先進(jìn)封裝當(dāng)做公司的一大工作重點(diǎn)，這主要是在日益增長的性能需求與摩爾定律的逐漸失效的矛盾影響下所演進(jìn)出來的折中結(jié)果。
如semiwiki報(bào)道所說，對(duì)于許多其他應(yīng)用，摩爾定律不再具有成本效益，尤其是對(duì)于集成異構(gòu)功能而言，多芯片模塊（Multi-chip modules ：MCM）和系統(tǒng)級(jí)封裝（System in PackageSiP）等“Moore than Moore”技術(shù)已成為將大量邏輯和存儲(chǔ)器，模擬，MEMS等集成到（子系統(tǒng)）解決方案中的替代方案。但是，這些方法仍然是非常特定于客戶的，并且會(huì)花費(fèi)大量的開發(fā)時(shí)間和成本。
翻看芯片發(fā)展的歷史，其實(shí)先進(jìn)封裝這個(gè)概念已經(jīng)存在了數(shù)十年。折中通過在封裝中組裝不同且先進(jìn)的芯片是推進(jìn)芯片設(shè)計(jì)的方法之一。今天，這個(gè)概念有時(shí)被稱為異構(gòu)集成。盡管如此，由于成本的原因，高級(jí)封裝主要用于高端，面向利基市場(chǎng)的應(yīng)用。
但這那可能很快就會(huì)改變。因?yàn)镮C縮放是推進(jìn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，它縮小了每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的不同芯片功能，并將它們封裝到單片式芯片上。但是，IC縮放對(duì)許多人來說變得太昂貴了，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收益都在減少。
雖然縮放仍然是新設(shè)計(jì)的一種選擇，但業(yè)界正在尋找替代方案，包括高級(jí)封裝。而變化的是，該行業(yè)正在開發(fā)新的高級(jí)封裝類型或擴(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)。
高級(jí)封裝背后的動(dòng)機(jī)仍然是相同的。與其將所有芯片功能塞在同一個(gè)芯片上，不如將它們分解并將它們集成到一個(gè)封裝中。據(jù)說這可以降低成本并提供更好的產(chǎn)量。另一個(gè)目標(biāo)是使芯片彼此靠近。許多先進(jìn)分裝使內(nèi)存更接近處理器，從而以較低的延遲更快地訪問數(shù)據(jù)。
這聽起來很簡(jiǎn)單，但是這里有幾個(gè)挑戰(zhàn)。另外，沒有一種可以滿足所有需求的封裝類型。實(shí)際上，芯片客戶面臨著各種各樣的選擇。其中：扇出（晶圓級(jí)封裝中的集成die和組件）、2.5D / 3D（芯片在封裝中并排放置或彼此疊放）和3D-IC：（在內(nèi)存上堆疊內(nèi)存，在邏輯上堆疊或者在邏輯上堆疊邏輯）就成了三種常見的選擇。
此外，業(yè)界也正在追求一種稱為Chiplets的概念，該概念支持2.5D / 3D技術(shù)。這個(gè)想法是您在庫中有一個(gè)模塊化芯片或小芯片的選擇。然后，將它們集成到一個(gè)封裝中，并使用die到die的互連方案將它們連接起來。
在臺(tái)積電方面，為了滿足市場(chǎng)對(duì)新型多芯片IC封裝解決方案的需求，他們也與其OIP合作伙伴合作開發(fā)了先進(jìn)的IC封裝技術(shù)，以提供經(jīng)濟(jì)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)摩爾定律以外的集成。
2012年，TSMC與Xilinx一起推出了當(dāng)時(shí)最大的FPGA，它由四個(gè)相同的28 nm FPGA芯片并排安裝在硅中介層上。他們還開發(fā)了硅通孔（TSV），微凸點(diǎn)和再分布層（re-distribution-layer：RDL），以將這些構(gòu)件相互連接。臺(tái)積電基于其構(gòu)造，將該集成電路封裝解決方案命名為CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）。這種基于積木和EDA支持的封裝技術(shù)已成為高性能和高功率設(shè)計(jì)的實(shí)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
臺(tái)積電于2017年宣布了InFO（Integrated FanOut technology）技術(shù)。它使用polyamide film代替CoWoS中的硅中介層，從而降低了單位成本和封裝高度，這兩項(xiàng)都是移動(dòng)應(yīng)用成功的重要標(biāo)準(zhǔn)。臺(tái)積電已經(jīng)出貨了海量用于智能手機(jī)的InFO設(shè)計(jì)。
臺(tái)積電于2019年又推出了集成芯片系統(tǒng)（SoIC）技術(shù)。借助前端（晶圓廠）設(shè)備，TSMC可以非常精確地對(duì)準(zhǔn)，然后使用許多窄間距的銅焊盤進(jìn)行壓焊（compression-bond）設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步最小化形狀因數(shù)，互連電容和功率。
這兩種技術(shù)就逐漸演進(jìn)成了今天的3D Fabric。
TSMC-SoIC：前端芯片堆疊
按照臺(tái)積電方面的定義，諸如CoW（chip-on-wafer）和WoW（wafer-on-wafer）等前端芯片堆疊技術(shù)統(tǒng)稱為“ SoIC”，即集成芯片系統(tǒng)（System of Integrated Chips）。這些技術(shù)的目標(biāo)是在不使用后端集成選項(xiàng)上看到的“bumps”的情況下，將硅片堆疊在一起。在這里，SoIC設(shè)計(jì)實(shí)際上是在創(chuàng)建鍵合接口，以便硅可以放在硅的頂部，就好像它是一整塊硅一樣。
根據(jù)臺(tái)積電官方介紹，公司的SoIC服務(wù)平臺(tái)提供創(chuàng)新的前段3D芯片間堆疊技術(shù)，用于重新集成從片上系統(tǒng)（SoC）劃分的小芯片。最終的集成芯片在系統(tǒng)性能方面優(yōu)于原始SoC。它還提供了集成其他系統(tǒng)功能的靈活性。臺(tái)積電指出，SoIC服務(wù)平臺(tái)可滿足云，網(wǎng)絡(luò)和邊緣應(yīng)用中不斷增長的計(jì)算，帶寬和延遲要求。它支持CoW和WoW方案，而這兩種方案在混合和匹配不同的芯片功能、尺寸和技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)提供了出色的設(shè)計(jì)靈活性。
具體而言，臺(tái)積電的SoIC技術(shù)是將多個(gè)die堆疊到“ 3D構(gòu)造塊”（又稱為“ 3D Chiplet”）中的一種非常強(qiáng)大的方法。
如今，SoIC在垂直堆疊的芯片之間的每平方毫米空間能夠?qū)崿F(xiàn)約10,000個(gè)互連。但看法這正在進(jìn)行向每平方毫米100萬個(gè)互連的開發(fā)工作。3D-IC愛好者一直在尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種細(xì)微互連，進(jìn)一步減小外形尺寸，消除帶寬限制，簡(jiǎn)化die堆疊中的熱量管理以及將大型、高度并行系統(tǒng)集成到其中的IC封裝方法。
如下圖所示，SoIC的好處之一體現(xiàn)在在其熱性能：
如上圖所示，面對(duì)面SoIC鍵合的熱阻比微凸點(diǎn)連接降低35％，并且隨著我們進(jìn)入具有多個(gè)封裝芯片的計(jì)算的未來，管理這些接口以進(jìn)行散熱要更加難。但是，這些SoIC技術(shù)的不利之處在于，堆疊設(shè)計(jì)必須彼此協(xié)同設(shè)計(jì)。
諸如EMIB之類的微凸點(diǎn)技術(shù)以一種技術(shù)上可以將一系列芯片連接在一起的方式進(jìn)行。使用類似COW和WOWO的SoIC技術(shù)，則從一開始就固定了設(shè)計(jì)。
盡管如此，臺(tái)積電仍熱衷于提高其SoIC芯片堆疊能力，他們還展示了12層的堆疊。
根據(jù)臺(tái)積電的規(guī)劃，這是他們面向未來集成的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它超越了過去的中介層或芯片堆疊的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)樗试S在不使用任何微凸點(diǎn)的情況下堆疊硅芯片，而直接將硅的金屬層對(duì)準(zhǔn)并鍵合到硅芯片上。
如上圖所示，TSMC當(dāng)前正在探索SoIC的12-Hi配置。12-Hi堆疊中的每個(gè)die都有一系列的硅通孔（TSV），以使每一層與其余層通信，其中心思想是每一層可以是邏輯的不同組件 ：如SRAM的IO，或者可以是無源的，這樣他們可以充當(dāng)其他主動(dòng)層之間的絕熱層。
按照TSMC的說法，這種設(shè)計(jì)的最大厚度為600微米，這就意味著每一層的厚度均在50微米以下。請(qǐng)注意，標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)die堆疊解決方案上的凸點(diǎn)間距可以約為50微米。對(duì)于SoIC，N7 / N6芯片的混合鍵合間距為9?m，N5芯片的混合鍵合間距為6?m。它表明，臺(tái)積電擁有一些令人印象深刻的線性制造和晶圓減薄技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)這種水平的一致性和die對(duì)準(zhǔn)。該公司甚至展示了將其減小到0.9?m的能力，該規(guī)模將使其能夠擴(kuò)展硅芯片的后端互連。
自然地，人們擔(dān)心沒有微凸點(diǎn)的兩個(gè)硅如何聯(lián)結(jié)，此外還有密度和可靠性的問題。臺(tái)積電表示，他們可以以非?？煽康母袷秸故境隹煽康?.9微米鍵距。如果我們將其與英特爾路線圖上最佳的凸點(diǎn)間距堆疊進(jìn)行比較，該公司的目標(biāo)是10微米的凸點(diǎn)間距，那就意味著這要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。在這種情況下，對(duì)于有意義的芯片，SoIC可提供更好的連接密度和更低的每位能量。
臺(tái)積電計(jì)劃在其N7，N5和N3工藝節(jié)點(diǎn)上提供SoIC選項(xiàng)，屆時(shí)TSV的間距將從9微米減小到4.5微米。臺(tái)積電期望這個(gè)技術(shù)能有規(guī)劃地發(fā)布，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入大批量生產(chǎn)后大約6-12個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)新的選項(xiàng)。
臺(tái)積電后端先進(jìn)封裝：與Intel競(jìng)爭(zhēng)
封裝中的另一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方案就是在一個(gè)封裝中連接兩個(gè)硅芯片。通常，這是通過兩塊硅片并排進(jìn)行的，并采用多種連接方式。大多數(shù)人最熟悉的是中介層方法，該方法將一大塊硅片置于所有互連的die下面，并且比簡(jiǎn)單地通過PCB封裝鋪設(shè)走線，它的布線方法更快捷。
帶有6個(gè)HBM2堆棧的NEC SX-Aurora TSUBASA
類似地，另一種方法是將中介層嵌入在PCB中，僅用于將一個(gè)特定的die連接到另一個(gè)die（這就是Intel稱為其嵌入式多管芯互連橋或EMIB）。
英特爾等效的EMIB解決方案
第三個(gè)是die對(duì)die的直接垂直堆疊，但是，由于在兩塊硅片之間使用了微凸塊，因此這與上面提到的SoIC實(shí)現(xiàn)不同——SoIC使用了鍵合。實(shí)際上，臺(tái)積電下半年產(chǎn)品中的所有實(shí)現(xiàn)都是基于微凸塊的，因?yàn)檫@允許在制造完每個(gè)芯片之后更好地混合和匹配不同芯片之間的場(chǎng)景，但是并沒有獲得SoIC提供的密度或功耗優(yōu)勢(shì)。
這就是為什么它被稱為“后段”高級(jí)封裝的原因。舉個(gè)例子，具有HBM功能的GPU就是通過這樣實(shí)現(xiàn)的。
許多支持HBM的GPU具有一個(gè)GPU裸片，幾個(gè)HBM裸片，所有這些裸片都放置在中介層的頂部。GPU和HBM由不同公司制造（甚至可以使用不同的HBM），而硅中介層也可以在其他地方制造。該硅中介層可以是無源的（不包含邏輯，僅僅是die到die間的路由），也可以是有源的，并且如果需要，可以設(shè)計(jì)為在芯片之間實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)互連，盡管這意味著中介層會(huì)消耗電源。
臺(tái)積電類似GPU中介層的策略在過去一直被稱為CoWoS（chip-on-wafer-on-substrate）。作為3DFabric的一部分，從實(shí)現(xiàn)方式上劃分，CoWoS現(xiàn)在具有三個(gè)變體：
每個(gè)人都熟悉的標(biāo)準(zhǔn)稱為CoWoS-S，其中S代表Silicon Interposer。CoWoS-S的局限性在于中介層的尺寸，該終結(jié)通常基于65nm制造工藝或類似工藝制造。由于中介層是單片硅片，因此必須類似地制造，并且隨著我們進(jìn)入小芯片時(shí)代，客戶要求越來越大的中介層，這意味著臺(tái)積電必須能夠制造它們（并提供高產(chǎn)量） 。
傳統(tǒng)芯片受標(biāo)線（reticle）的大小限制，這是機(jī)器內(nèi)部的基本限制，即在單個(gè)實(shí)例上可以“打印”一層的大小。為了使芯片尺寸為標(biāo)片大小的產(chǎn)品成為可能，TSMC一直在開發(fā)多標(biāo)線大小的插入器技術(shù)，以使這些產(chǎn)品更大?；谂_(tái)積電自己的路線圖，我們預(yù)計(jì)2023年的CoWoS實(shí)施將是標(biāo)線的四倍左右，每個(gè)產(chǎn)品將允許超過3000 平方毫米的有源邏輯硅。
由于CoWoS-S是以ASIC + HBM的組合實(shí)現(xiàn)，因此臺(tái)積電也正在為標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)實(shí)施一個(gè)稱為CoWoS-S STAR的技術(shù)路線。這將使客戶能夠在針對(duì)2/4/6 HBM堆棧的特定設(shè)計(jì)協(xié)議內(nèi)工作，最小化中介層的尺寸，還可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間并提高良率。
CoWoS-L則是另一種變體，使用局部硅互連和重新分布層。這里的關(guān)鍵詞是“本地”，這意味著它將兩個(gè)硅芯片本地連接在一起。這是一項(xiàng)與英特爾EMIB相同的方法。英特爾的EMIB已經(jīng)用于多種產(chǎn)品（Kaby-G，Stratix 10，Agilex FPGA），但臺(tái)積電目前僅在預(yù)認(rèn)證階段。臺(tái)積電似乎實(shí)現(xiàn)CoWoS-L的方式是將所有橋接互連一次放置在一個(gè)封裝上，因此該技術(shù)受到與每個(gè)互連的最大距離的限制。如下圖所示，TSMC的目標(biāo)是在2021年第二季度為CoWoS-L提供3.0倍標(biāo)線。
InFO封裝使芯片可以“扇出”，以在 SoC標(biāo)準(zhǔn)平面圖之外增加其他連接。這意味著，雖然芯片邏輯區(qū)域可以很小，但芯片要比邏輯電路更大以容納所有必需的引腳輸出連接。臺(tái)積電提供InFO已經(jīng)有很多年了，但是在3DFabric的支持下，它現(xiàn)在將提供與封裝內(nèi)連接有關(guān)的不同類型的InFO。
InFO-R（也稱為InFO_oS）允許在芯片和微凸塊之間添加重新分布層，以將多個(gè)芯片統(tǒng)一為一個(gè)封裝。這是另一種技術(shù)，其限制因素是該技術(shù)的x / y尺寸（以標(biāo)線片尺寸衡量）。自2018年以來，目前臺(tái)積電以1.5倍標(biāo)線支持InFO-R，并將在2020年第四季度升級(jí)到1.7倍標(biāo)線，到2021年第一季度將達(dá)到2.5倍標(biāo)線。
InFO-L與CoWoS-L相似之處在于，它使用局部硅互連將多個(gè)InFO die連接在一起。這項(xiàng)技術(shù)仍在開發(fā)中，預(yù)計(jì)將于2021年第一季度完成認(rèn)證。
TMSC的封裝技術(shù)也可以結(jié)合在同一產(chǎn)品中。通過同時(shí)實(shí)現(xiàn)前端（SoIC）和后端（InFO）封裝，可以制造出新的產(chǎn)品類別。該公司制作了一個(gè)這樣的模型：
從表面上看，臺(tái)積電將在未來幾年為客戶提供更多的封裝選擇。他們?cè)谶@方面的主要競(jìng)爭(zhēng)者似乎是英特爾，后者已經(jīng)能夠在一些當(dāng)前產(chǎn)品和某些即將發(fā)布的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)其EMIB和Foveros技術(shù)。臺(tái)積電將受益于與更多項(xiàng)目和客戶合作。
今年六月，臺(tái)積電董事會(huì)通過了建設(shè)竹南先進(jìn)封測(cè)廠的決定。據(jù)報(bào)道，該廠選址為苗栗縣竹南科學(xué)園區(qū)。該封測(cè)廠預(yù)計(jì)總投資額約合人民幣716.2億元，計(jì)劃明年年中第一期產(chǎn)區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。這對(duì)于臺(tái)積電來說必然是一件好事，但對(duì)于傳統(tǒng)OSAT來說，這并不是什么好消息。