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先进封装,一出全产业链协同配合的大戏

先进封装,一出全产业链协同配合的大戏

过去的五十年里,电子行业一直处在摩尔定律的黄金年代,但出于物理极限和制造成本的原因,通过晶体管微缩工艺以实现更高经济价值的逻辑逐渐变得不再如此有效。戈登·摩尔知道这一天终将会到来,于是他在1965年的一篇论文中就预测称,“事实证明,使用较小的功能模块(单独封装和互连)构建大型系统将更经济。”这也是当前利用系统级封装(SiP)取代SoC芯片来进行下一代电子产品设计的原因所在。

根据Yole Développement最新的数据,2020年至2026年,先进封装市场复合年增长率约为7.9%。到2025年,该市场营收就将突破420亿美元,这几乎是传统封装市场预期增长率(2.2%)的三倍。其中,2.5D/3D堆叠IC、嵌入式芯片封装(Embedded Die, ED)和扇出型封装(Fan-Out, FO)是增长最快的技术平台,复合年增长率分别为21%、18%和16%。LJ2esmc

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图1 2020年至2026年,先进封装市场复合年增长率 图片来源:Yole DéveloppementLJ2esmc

如何定义“先进封装”?

下图呈现的是半导体封装技术的“范式跃迁(Paradigm Change)”趋势,其核心要义就是“封装正从PCB向IC靠近”。一些新的技术与趋势,例如异构整合与多芯片(Chiplets)封装、SiP取代SoC、TSV/FOWLP技术、2.5D/3D芯片堆叠,正成为“传统封装”与“先进封装”的主要差异点。 LJ2esmc

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图2 下一个半导体封装模式的改变就在这里…… 图片来源:CadenceLJ2esmc

Cadence公司产品市场总监孙自君说,目前来看,一方面,在最新节点上设计SoC需要庞大的工程团队,找齐所有必需的专家对系统和软件公司来说并不容易;另一方面,“并不是所有的应用都需要SoC芯片”。以5G、汽车电子、物联网设计中所需的模拟/射频部分为例,其所占面积几乎未受益于工艺尺寸缩小,65nm似乎是最佳的工艺节点。同时,USB/摄像头/以太网等功能都需要针对新节点制程重新设计。LJ2esmc

不过,以上这些是从生产制造角度出发得出的观察,先进封装真正影响的,其实是设计者的思考模式与工作方法。原因有二:一是因为芯片代工厂(Foundry)与封装测试厂(OSATs)都提供不同的先进封装解决方案,用户选择更多;二是制造商各自都在推动不同的参考流程、PDK和ADK(组装设计套件)供客户选择,产品开发周期与良率都有改善。LJ2esmc

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长电科技董事、首席执行长郑力LJ2esmc

“在后摩尔定律时代,‘先进封装’一词其实已经远远超过封测字义范围,走进了‘集成电路芯片成品制造’这个重要产业阶段。“长电科技董事、首席执行长郑力对记者表示,随着芯片对功耗、散热、系统性能(如数据传输速度、带宽、延迟)和有效成本控制的需求越来越高,建立在传统封装基础上的先进封装,由于能够提升集成密度,特别是提升单位面积或体积内输入与输出点数和异构芯片集成,使得封装体或系统的总体性能表现得以大幅提升。LJ2esmc

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台积电(中国)有限公司总经理&台积电(南京)有限公司总经理罗镇球LJ2esmc

尽管目前业内普遍使用“先进封装”一词来描述半导体产品从二维到三维发展,或者从单一芯片封装到多个甚至多种芯片封装在一起的状态。但台积电(中国)有限公司总经理&台积电(南京)有限公司总经理罗镇球在接受《国际电子商情》采访时却指出,“科学技术是持续进步的,所谓先进也是相对的,特别是对日新月异的半导体产业而言。“LJ2esmc

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英特尔院士、封装研究与系统解决方案总监Johanna SwanLJ2esmc

英特尔院士、封装研究与系统解决方案总监Johanna Swan也表达了类似的看法。她说自己并不确定在“先进封装”与“传统封装”间是否存在一条明确的分界线,因为两者是技术进步的连续体,“先进封装”只意味着它比之前的技术进步了。未来,随着封装技术的连续性演进,与之相配合的工具会变得更加复杂,需要整个生态系统一起朝前推进,一起高效的不断优化,真正释放“先进封装”的性能。LJ2esmc

高速增长背后的“推手”

从技术发展来看,在过去五十年中,晶体管尺寸不断微缩,从微米级到纳米级不断进步,但当技术节点从16/12nm向3nm、2nm演进,甚至跨过纳米门槛后,先进的逻辑技术能否继续提供未来计算系统所需的能源效率,成为行业关心的重点。而从市场趋势来看,过去十年中,数据计算量的发展超过了过去四十年的总和,云计算、大数据分析、人工智能、AI推断、移动计算,甚至自动驾驶汽车都需要海量计算。LJ2esmc

于是,不再是一条直线的IC技术发展路线,以及市场对创新解决方案的需求,将封装技术推向了创新的前沿。在可预见的未来,现代的计算工作负载将推动产品设计采用一种更为整体的方法,以便在系统级别进行优化,未来的电子系统将需要计算机架构、晶体管器件和先进封装技术的共同创新。LJ2esmc

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英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强LJ2esmc

英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强表示,要解决算力增长问题,除了继续通过CMOS微缩来提高密度之外,能够将不同制程/架构、不同指令集、不同功能的硬件进行组合的异构计算,也已经成为解决算力瓶颈的重要方式。而要实现异构计算,先进封装技术在其中扮演了关键角色——不但能够快速达到芯片需要的功耗、体积、性能的要求,降低成本,易于实现。同时,也能够更好地提高芯片内集成密度,且灵活度高、发展空间大。LJ2esmc

芯片的小型化、轻薄化和芯片的高密度与多架构融合,是两个最具代表性的应用案例。LJ2esmc

随着便携式设备的兴起,对于芯片的小型化要求也越来越高,需要把以前分散在板级的多颗计算芯片、存储芯片、IO芯片进行整合,而多维立体的先进封装技术,如2.5D和3D技术则能够实现更小的体积和更小的功耗。英特尔就曾实现将至强处理器、独立显卡GPU和HBM通过先进封装技术在板级实现了超级计算机的功能。LJ2esmc

同时,随着全球智能化的快速推进,底层的数字基础设施需要成倍甚至指数级的增长,计算的类型也是多种多样的,涉及整个数据的传输、处理和存储,包含CPU、GPU、ASIC和FPGA的XPU架构将逐渐成为主流,这也需要先进封装技术的加持。LJ2esmc

在TI研究员Sreenivasan Koduri博士看来,先进封装是指那些能帮助半导体设备以极高的计算能力、通信带宽、功率密度或精度运行的创新封装方法,采用先进封装的半导体可靠性不会受到影响且成本会更具优势。LJ2esmc

“传统的封装解决方案最初是为一种非常不同的终端应用开发的,它不能根据当前日趋多样的系统应用的性能、尺寸、成本或可靠性要求进行扩展。例如要将多核处理器与高密度存储器集成在尺寸低至1mm x 1mm的狭小空间中,并提供超过95%的功效,实现高于 0.1%的传感和信号精度,这在以前是很难想象的。“Koduri博士说。LJ2esmc

以汽车行业为例,以前的汽车系统普遍采用机械结构,几乎没有任何电子器件,而当今的汽车系统已经越来越由半导体和电子器件所定义。在这些系统中,比如发动机和制动系统之间的可靠性需求,相比传统汽车就存在显著的不同。LJ2esmc

另一个例子便是正在逐渐取代我们钱包的手机。现在,PC、数据中心、通信枢纽节点、数字货币矿场或基因切片检测仪等比早期的仪器具有更多的计算需求。随着自动驾驶汽车、自动无人机和不断增长的人工智能的出现,未来将更加具有变革性。但如果没有创新的先进封装解决方案,任何进步都不可能实现。LJ2esmc

其实从发展必要性出发,先进封装的优点是显而易见的:LJ2esmc

  • 新的先进封装可以跨过技术瓶颈。因为利用新节点生产,其光罩尺寸相关的设备需求不容易满足,生产成本大幅提升,晶体管持续小型化的经济效益不突出。
  • 并非每个逻辑功能(IP)都需要相同的工艺节点。所以通过小芯片(Chiplet)的形式,利用IP模块化方法设计新SiP,实现异构整合,会比SoC更有优势。
  • 传统IC封装设计周期长,需要预定义/固定的机械结构,解决热、电、电磁的方法虽然较容易,但速度与运算效能不容易提升。
  • 最新的2.5D/3D-IC、FOWLP封装技术,正在进行的关于Chiplet标准交换格式的讨论,如AIB、BoW、HBM等,都有助于下一代多芯片或异构整合(Heterogeneous Integration,HI)设计所需的电路板设计开发,对于人才的招募与专业知识积累也较容易。

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Cadence公司产品市场总监孙自君LJ2esmc

在孙自君看来,先进封装是电子产品设计公司为了让最终产品增加价值,并与竞争对手实现差异化以创造额外价值的手段。设计者如何选择封装解决方案取决于最终产品外形与成本因素,PPA(功耗、性能、单位面积成本)、生产制造、成本、良率、如何与市场需求挂钩,是他们最为关注的技术演进方向。LJ2esmc

因此,对物联网、大数据和可穿戴设备来说,由于更重视产品本身的性能、功耗、成本、小型化,所以普遍选择SiP、2.5D封装;手机、车载解决方案需要大量算力,也要考虑迭代与上市时间,所以高密度的再分布层(Re-Distribution Layer,RDL)与FOWLP是主流;人工智能(AI)、HPC更考虑效能与堆叠RAM,所以2.5D/3D-IC技术更为适合。LJ2esmc

亟待解决的挑战

2.5D/3D封装技术是“先进封装”的核心,提升互联密度和采用Chiplet设计是两条驱动“先进封装”发展的技术路径。尽管一些头部企业已经成功实现了3D Chiplet设计,但可以预见的是,在先进封装的演进过程中,仍有大量亟待克服的挑战。LJ2esmc

郑力表示,从国内产业链发展情况来看,只有制造业本身的向前发展是远远不够的,与之配套的装备产业、材料产业同样需要得到跨越式发展。“先进封装对材料,特别是高端基板材料和晶圆级封装材料,以及化学机械抛光(CMP)和倒装封装(Flip-chip)设备的需求和要求都在不断增加,这需要材料、设备(包括测试)和工艺三方的紧密合作与努力。同时,我们还要密切关注从系统、芯片、封装到产品测试的共同设计和协同合作,以及对Chiplet的理解与实际应用。”他说。LJ2esmc

宏观来看,先进封装未来面临的挑战应该与我们曾经在逻辑工艺节点演进过程中遇到的挑战是类似的,如何提升互连密度即为一例。众所周知,目前的互连一般包括集成电路的片内互连和异构系统集成中的片外互连。在互连设计中,几何尺寸(宽度、厚度、间距、长宽比、节距)、材料、工艺控制和设计布局都对互连功能、性能、功率效率、可靠性和制造良率至关重要,原料、生产设备、制造工艺以及EDA工具的研发配合等缺一不可。LJ2esmc

至于未来趋势,罗镇球指出,先进封装的出现是为了提升系统性能,有效的把不同类型的芯片连在一起,除了先进封装技术自身的不断优化提升外,与晶圆工艺、电路板技术和系统级产品的配合,甚至对整个产业生态环境以及产业链的各环节都提出了要求,要在各自的技术迭代中开始考虑先进封装的可能影响以及搭配使用,先进封装的发展绝对需要全产业链的协同配合才能展现其最大的价值。LJ2esmc

“极致的异构集成,就是将越来越小的IP和越来越小的区块集合在一起,这是封装技术的未来趋势。“宋继强强调称,先进封装的挑战来自多方面。例如在设计层面,与传统“Fabless设计—标准性能库—晶圆代工—普通封装”流程不同,未来功能多、体积小、能耗低设备比拼的重点,是要有更好的组合能力,3D封装显然是提升产品附加值的首选方案。这样,一些原来只在后端或是封装阶段才需要考量的指标,就要前移至前端设计中,一些原本清晰明确的工作流程可能会变得模糊。LJ2esmc

孙自君对此进行了进一步的阐述。他认为,无论利用硅通孔(TSV)、2.5D、RDL还是中介层(Interposer)的方法,都需要解决两个问题:一是系统互连,二是验证。未来的设计环境,需要有透通能力,同时具有IC设计、封装设计、系统设计与多物理分析验证的能力,这不仅是工具的整合,更是流程的交互设计与资料沟通的标准化,并且从系统的视野来解决设计者的问题。LJ2esmc

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TI研究员Sreenivasan Koduri博士LJ2esmc

Sreenivasan Koduri博士则指出,2.5D和3D封装正在改变基于CMOS的计算处理器,但必须注意的是,这只是半导体的一个方面。模拟、存储器、电源、传感和通信应用也出现了类似的变革,在这些情况下,挑战和解决方案各不相同。但是,它们也有一些共同点,包括需要小型化、更高的能效、更低的成本和更高的可靠性。LJ2esmc

“八仙过海,各显神通”

在先进封装的市场争夺中,OSAT企业、晶圆代工厂、IDM、Fabless公司、EDA工具厂商等都加入了其中,且斥资巨大。这些不同类型的企业对“先进封装”概念的理解,以及由此产生的技术/产品布局,存在着较大的差异性,大体上可分为两类:LJ2esmc

第一类是以OSAT, 晶圆代工厂,IDM为代表,其中OSAT以基板或凸块(Bump)为基础发展灵活的多产品组合,并推动晶圆后续制程的线宽/线距持续演进;晶圆代工厂及IDM的优势还是在于能提供完整的设计及晶圆制程以适配先进封装。第二类是Fabless和EDA公司,他们均与封装设计相关,EDA工具厂商的优势在于提供更完整的设计流程、设计工具,方便Fabless公司更快的完成产品设计,缩短上市时间。不过,尽管路径不同,但他们对先进封装的目标是一致的,都追求实现更小尺寸,更小的线宽、线距,为高性能产品提供出色的散热性能。LJ2esmc

“毫无疑问,封装是半导体发展关注的前沿领域。虽然Fin-FET被认为是CMOS晶体管发展最大的进步之一,但在封装方面没有哪个单独的创新可以真正改变规则。” Sreenivasan Koduri博士的看法是,封装的进步是多个方面创新的集合,并且有时需要阶跃函数式的进步,以及多方面的提升。因此,OSAT企业、晶圆厂、EDA工具厂商、IDM、材料供应商和设备制造商这所有的合作伙伴及利益相关者都可以发挥作用,以共同应对挑战和变化。LJ2esmc

郑力指出,封测领域向前发展的路径之一就是从晶圆级封装向2D/2.5D/3D多维封装前进,这一过程中,离不开晶圆厂的支持。从封测厂角度来看,这样的合作对晶圆级封装不仅没有负面影响,反而有着非常积极的推动、帮助和支持作用。也只有双方协同配合,才会加速晶圆级封装向更加广泛的应用和更加深度的技术创新领域发展。LJ2esmc

目前来看,此轮“先进封装”的主要投资都投向了晶圆代工厂与OSAT企业,意在解决制程设备与工艺问题,双方都有过往投资设备的优势,不同之处在于晶圆代工厂从高精度向下推进,OSAT企业则向整合度更高突破,谁能先一步完成资源整合,谁就能取得市场优势。LJ2esmc

孙自君说,EDA厂商与IC设计企业有着相同的目标,就是解决规划与连接问题,提出的方案要更完整,更贴近IC设计人员的需求,解决包括面对不同产品应用,哪种流程最适合设计、顶层设计(Top level)聚合和管理;对先进多芯片IC封装进行专门的测试和确认;跨域电气/热建模在内的一系列技术问题。LJ2esmc

先进封装前进到了哪里?

长电科技

在异构集成技术赛道里,长电科技不断换挡提速,面向Chiplet异构集成应用推出了XDFOITM全系列的解决方案,包括2D/2.5D /3D chiplet等,可灵活实现异构集成。相比2.5D TSV封装,其具有更灵活的设计架构、更低的成本、更优化的性价比、更佳的可靠性,是一种适用于FPGA/ CPU/ GPU/ AI/5G网络芯片等高端产品,量产项目和解决方案将于2022/2023年面市。LJ2esmc

此外,受到TSV昂贵的成本和良率影响,长电科技还推出了无硅通孔扇出型晶圆级高密度封装技术,使用Stacked VIA替代TSV。该技术可以实现多层RDL再布线层,2/2μm线宽间距,40μm级窄凸块互联,多层芯片叠加,集成高带宽存储,集成无源元件。未来,它还可以实现1/1μm高密度的线宽间距以及20μm极窄凸块互联。LJ2esmc

台积电

深耕封装领域10年的台积电,主要以大尺寸的高性能晶圆级封装2.5D CoWoS为起点,异构整合面积超过2400mm2,功能包含逻辑电路,射频电路及存储器成品。而未来5-10年,台积电先进封装技术演进将更多集中在3DFabric™。LJ2esmc

3DFabric包括前端TSMC-SoIC(系统集成芯片),以及后端CoWoS(Chip Last)和InFo(Chip First)系列封装技术,允许将高密度互连芯片集成到一块封装模块中,从而提高带宽、缩短延迟和增加电源效率。客户可以将逻辑设计的重点放在先进的半导体技术上,在更成熟、成本更低的半导体技术上重复使用过去的模块,如模拟、IO、RF等。LJ2esmc

罗镇球表示,过去集成电路发展以增加晶体管和多器件组合为SoC的方式,持续改善SoC的尺寸及性能。未来3D方案,则是以SoC为基础形成SoC-SoC 3D整合,将以前用基板或者导线连接的制程,演进到使用晶圆级别的后段金属连接,并提高连接密度及性能。LJ2esmc

英特尔

英特尔的先进封装技术路线图覆盖三大维度:功率效率、互连密度和可扩展性。LJ2esmc

  • 多区块异构集成提升功率效率:单独IP的异构集成能够带来更大量的更小区块,它们可以大量重复使用,开发时间从单片式集成SoC的3-4年、多晶片2-3年缩短至1年,并且芯片缺陷率进一步降低。这样一来,便于根据客户的独特需求定制产品,满足产品快速的上市需求。
  • 互连密度:当前的Foveros技术能实现的凸点间距为50微米,这将使每平方毫米有大约400个凸点。未来,英特尔希望能将凸点间距缩减到大约10微米的,从而使凸点数量达到每平方毫米10000个。这样,就可以实现更小、更简单的电路,更低的电容和功耗,而不必做扇入(Fan-In)和扇出(Fan-Out)。
  • 可扩展性:在这个维度上,ODI和CO-EMIB是两大关键技术。英特尔构建高密度MCP的关键基础技术包括EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)2D封装、Foveros 3D封装和融合了2D/3D的Co-EMIB;ODI是英特尔全新的全方位互连技术,顶部芯片可以像EMIB技术与其他小芯片进行水平通信,同时还可以像Foveros技术通过硅通孔(TSV)与底部裸片进行垂直通信。

Cadence 

Cadence于1990年代初开始开发用于先进IC封装的工具,从动态库和连接开发,到自动引线键合/打线(Wire Bonding)和芯片堆叠(Chip-Stacking),再到组装设计套件(ADK),并支持多个不同IC布局并行协同设计和协同分析,都在帮助用户在设计领先的多芯片封装时提高生产力。LJ2esmc

TI

自从Jack Kilby发明集成电路以来,TI一直处于提供封装解决方案的前列。从第一款自动焊线机以及非常早期的转移模塑工艺,到MicroSiP和HotRod封装、铜线键合技术,配合率先开展的半导体小型化进程,使得半导体更加经济实惠。未来,TI将把对封装的创新持续应用于汽车、工业和个人消费电子应用领域,帮助用户开发出更小、更高集成度的芯片。LJ2esmc

无法忽视的SiP

尽管先进封装是当前的热点领域,但SiP(系统级封装)同样热度不减,让人无法忽视。根据Yole Développement预测,SiP市场预计将从2020年的140亿美元增加到2026年的190亿美元。其中,面向计算和数据中心应用的高端SiP市场,复合年增长率可达9%,而面向移动电话的低端RF SiP市场,复合年增长率约为5%。LJ2esmc

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图3 2020-2026年,全球SiP市场规模预测 图片来源:Yole DéveloppementLJ2esmc

SiP是将多个组件(IC芯片、无源器件、传感器、存储器件等)集成到单个封装中,从而创建一个可用于简化设备设计并优化性能的子系统。Sreenivasan Koduri博士认为SiP可以被视为先进封装的一个子集,也就是说,当封装中包含两个或更多组件时,此时的封装便是SiP,这与通常只具有一个半导体芯片(裸片)的常见封装不同。LJ2esmc

通过集成度不断提高,SiP可提供更高的功能密度、更高的性能和更低的成本,这意味着SiP在处理高度功能密集型应用方面具有独特的作用,它提供的集成优势有时值得付出成本、能够应对系统的复杂性。但SiP并不总是万全的方法,因此经过精心构思的产品定义是SiP的第一个关键步骤。设计人员需要根据应用和系统需求,以及对设计、开发和制造复杂性的理解,在任何给定的SiP中包含适当的集成。换句话说,集成度过低会使其失去优势,而无增益效果的集成也可能使产品变得不必要。LJ2esmc

长电科技同样将高密度系统级封装视作先进封装的一种,是先进封装中带有系统功能的多芯片与器件的封装形式的总称。SiP可以将一颗或多颗芯片及被动元件整合在一个封装模块当中,从而实现具有完整功能的电路集成,优点是解决了多功能、高集成度、高速率、低功耗、多引线集成电路芯片封装等技术问题,在5G、AI、高性能运算、汽车自动驾驶等领域得到了广泛普及,2.5D和3D晶圆级封装技术更是备受设计人员青睐。LJ2esmc

不过,想要保证良率、保证性能提高,就需要协同设计优化芯片集成与测试一体化。目前,国际上专门面向异构集成成立标准化委员会,制定了异质集成测试国际标准,旨在把测试和芯片高密度集成紧密结合在一起,形成完整的集成电路器件的芯片成品制造的关键制造工艺,长电科技在早期成为重要的、标准化委员会主要成员。LJ2esmc

“SiP与先进封装对设计工具的要求并无二致,只是在堆叠方式与连接方法方面,先进封装变化更多,更严格,不同技术路线的要求不同,绕线策略亦不同,所以EDA工具需要系统级的视野和规划能力,能整合众多工具的不同资料,并针对路径做最佳化。“孙自君说,其实先进封装也催生了更多强大的功能,回馈到SiP的设计中,这些功能可以使设计者更方便的完成工作,在缩短上市时间之外,也提高产品的质量。LJ2esmc

本文为《国际电子商情》2021年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里LJ2esmc

原创
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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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