前言:
近年來(lái),封裝技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來(lái)越大,越來(lái)越多前道工藝需要完成的步驟被引入后道工藝當(dāng)中,兩者的界限變得越來(lái)越模糊。隨之而來(lái)的是,越來(lái)越多超越傳統(tǒng)封裝理念的先進(jìn)封裝技術(shù)被提出。
滿足芯片發(fā)展需求需要先進(jìn)封裝
隨著芯片不斷向微型化發(fā)展,工藝制程開始向著更小的5nm、3nm推進(jìn),已經(jīng)越來(lái)越逼近物理極限,付出的代價(jià)也將越來(lái)越大,因此摩爾定律屢屢被傳將走到盡頭,迫切需要另辟蹊徑推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。
先進(jìn)封裝會(huì)成為下一階段半導(dǎo)體技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著摩爾定律發(fā)展趨緩,通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)微型化、多功能化成為了集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎。
先進(jìn)封裝技術(shù)能夠相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn)芯片的高密度集成、體積的微型化和更低的成本等需求,符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進(jìn)的趨勢(shì)。
如今AI市場(chǎng)的不斷擴(kuò)張推動(dòng)著先進(jìn)封裝行業(yè)的增長(zhǎng),AI芯片組需要運(yùn)算速度更快的內(nèi)核、更小巧的外形以及高能效,這些需求驅(qū)動(dòng)著先進(jìn)封裝市場(chǎng)。
5G技術(shù)的普及也在增加先進(jìn)封裝市場(chǎng)的需求,5G芯片組較依賴先進(jìn)封裝技術(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能、小尺寸和低功耗。
先進(jìn)封裝市場(chǎng)將從當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)值升至到超過(guò)250億美元,到2026年將超過(guò)400億美元,2020年到2026年期間將是增長(zhǎng)的高爆期,其年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到8%。
異構(gòu)整合:治療芯片微縮難題
半導(dǎo)體先進(jìn)制程紛紛邁入了7納米、5納米,接著開始朝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。
異構(gòu)整合概念便應(yīng)運(yùn)而生,同時(shí)成為IC芯片的創(chuàng)新動(dòng)能。將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片整合在一起。
這增強(qiáng)了功能性,可以對(duì)采用不同工藝、不同功能、不同制造商制造的組件進(jìn)行封裝。
因此,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)今熱門的封裝技術(shù),便是基于異構(gòu)整合的想法。
2．5D封裝:治療芯片生產(chǎn)成本難題
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,2．5D封裝技術(shù)正是其中被人所熟知的一種。
2．5D封裝通常用于ASIC、FPGA、GPU和內(nèi)存立方體,并最終在高帶寬內(nèi)存(HBM)處理器集成中流行起來(lái)。
扇出型晶圓級(jí)封裝(FOWLP)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,進(jìn)而形成封裝。
扇出型晶圓級(jí)封裝為晶圓模提供了更多的外部接觸空間,將芯片嵌入環(huán)氧模塑料內(nèi),然后在晶片表面制造高密度重分布層(RDL)和焊料球,形成重組晶片。
3D封裝技術(shù):直接將芯片堆疊起來(lái)
在3DIC封裝中,邏輯模塊堆疊在內(nèi)存模塊上,而不是創(chuàng)建一個(gè)大型的系統(tǒng)片上(SoC),并且模塊通過(guò)一個(gè)主動(dòng)交互器連接。
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),并且直接使用硅穿孔來(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)直接制作硅穿孔困難度極高,不過(guò),由于高效能運(yùn)算、人工智能等應(yīng)用興起,加上硅通孔(TSV)技術(shù)愈來(lái)愈成熟,可以看到越來(lái)越多的CPU、GPU和記憶體開始采用3D封裝。
Chiplets:摩爾定律瓶頸衍生的技術(shù)替代方案
由于電子終端產(chǎn)品朝向高整合趨勢(shì)發(fā)展,對(duì)于高效能芯片需求持續(xù)增加,但隨著摩爾定律逐漸趨緩,在持續(xù)提升產(chǎn)品性能過(guò)程中,如果為了整合新功能芯片模組而增大芯片面積,將會(huì)面臨成本提高和低良率問(wèn)題。
因此,Chiplets成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)因摩爾定律面臨瓶頸所衍生的技術(shù)替代方案。
因?yàn)橄冗M(jìn)制程成本非常高昂,特別是模擬電路、I/O等愈來(lái)愈難以隨著制程技術(shù)縮小,而Chiplets是將電路分割成獨(dú)立的小芯片,并各自強(qiáng)化功能、制程技術(shù)及尺寸,最后整合在一起,以克服制程難以微縮的挑戰(zhàn)。
Chiplets允許設(shè)計(jì)者利用各種各樣的IP而不必考慮它們是在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)或技術(shù)上制造;它們可以在硅、玻璃和層壓板等多種材料上建造。
芯片巨頭同時(shí)深入探索封裝技術(shù)
以臺(tái)積電、英特爾、三星為代表的三大芯片巨頭正積極探索先進(jìn)封裝技術(shù)。
臺(tái)積電:
·CoWoS是臺(tái)積電推出的2．5D封裝技術(shù),被稱為晶圓級(jí)封裝,CoWoS針對(duì)高端市場(chǎng),連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大。
自2012年開始量產(chǎn)CoWoS以來(lái),臺(tái)積電就通過(guò)這種芯片間共享基板的封裝形式,把多顆芯片封裝到一起,而平面上的裸片通過(guò)SiliconInterposer互聯(lián),這樣達(dá)到了封裝體積小,傳輸速度高,功耗低,引腳少的效果。
·開發(fā)了晶圓級(jí)封裝技術(shù)——系統(tǒng)整合芯片,是以關(guān)鍵的銅到銅接合結(jié)構(gòu),搭配TSV以實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的3D IC技術(shù),可將多個(gè)小芯片整合成一個(gè)面積更小與輪廓更薄的系統(tǒng)單晶片。
·在Fan-out和3D先進(jìn)封裝平臺(tái)方面已處于領(lǐng)先地位,其先進(jìn)封裝技術(shù)儼然已成為一項(xiàng)成熟的業(yè)務(wù),并為其帶來(lái)了可觀的收入。
目前有4座先進(jìn)的芯片封測(cè)工廠,新投產(chǎn)兩座之后,就將增加到6座,在明后兩年投產(chǎn)的兩座芯片封裝工廠,也將采用3D Fabric先進(jìn)封裝技術(shù)。
·臺(tái)積電將SoIC、CoWoS、InFO-R、CoW、WoW等先進(jìn)封裝技術(shù)平臺(tái)加以整合,統(tǒng)一命名為“TSMC 3D Fabric”。
此平臺(tái)將提供芯片連接解決方案,滿足用戶在整合數(shù)字芯片、高帶寬存儲(chǔ)芯片及特殊工藝芯片方面的需求。
三星:
·主要布局在面板級(jí)扇出型封裝(FOPLP),三星在FOPLP投資已超過(guò)4億美元。2018年FOPLP技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用,應(yīng)用于其自家智能手手表Galaxy Watch的處理器封裝應(yīng)用中。
·為擴(kuò)大半導(dǎo)體封裝技術(shù)陣容,不僅開發(fā)FOPLP,也開發(fā)FOWLP技術(shù)。還在2019年上半年收購(gòu)子公司三星電機(jī)的半導(dǎo)體封裝PLP事業(yè),不斷加強(qiáng)封裝的實(shí)力。
·2019年10月,三星開發(fā)出業(yè)界首個(gè)12層3D-TSV(硅穿孔)技術(shù),這項(xiàng)新創(chuàng)新被認(rèn)為是大規(guī)模生產(chǎn)高性能芯片所面臨的的最具挑戰(zhàn)性的封裝技術(shù)之一,因?yàn)樗枰獦O高的精度才能通過(guò)擁有六萬(wàn)多個(gè)TSV孔的三維配置垂直互連12個(gè)DRAM芯片。
英特爾:
·2017年,英特爾推出了EMIB(嵌入式多芯片互連橋接)封裝技術(shù),可將不同類型、不同工藝的芯片IP靈活地組合在一起,類似一個(gè)松散的SoC。
·隨后發(fā)布了3D封裝技術(shù)Foveros,首次在邏輯芯片中實(shí)現(xiàn)3D堆疊,對(duì)不同種類芯片進(jìn)行異構(gòu)集成。
英特爾的3D封裝技術(shù)結(jié)合了3D和2D堆疊的兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì),英特爾ODI全向互連技術(shù)可通過(guò)在小芯片之間的布線空隙來(lái)實(shí)現(xiàn),而這些是臺(tái)積電系統(tǒng)整合單晶片(So IC)技術(shù)做不到的。
·最新發(fā)布的“混合結(jié)合”技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距,較Fovreros封裝的25—50微米凸點(diǎn)間距有了明顯提升,并且優(yōu)化芯片的互連密度、帶寬和功率表現(xiàn),進(jìn)一步提升芯片系統(tǒng)的計(jì)算效能。
結(jié)尾:
先進(jìn)封裝也成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵技術(shù),一個(gè)蘿卜一個(gè)坑,先進(jìn)封裝的發(fā)展技術(shù),將有效“治療”目前芯片提升難點(diǎn),成為擺脫眼下束縛的“良藥”。