隨著流程趨于完整，工具不斷精進(jìn)和在市場(chǎng)上獲得認(rèn)可，先進(jìn)封裝正在成為主流。
隨著在單個(gè)die上集成各式各樣的功能模塊（部件）的成本持續(xù)上升，先進(jìn)封裝正迅速成為芯片制造商的主流選擇。
盡管圍繞這一轉(zhuǎn)變已經(jīng)有好幾年的討論，但實(shí)際情況是，它經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)才得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)60年代，先進(jìn)封裝始于IBM的倒裝芯片，而在20世紀(jì)90年代，隨著多芯片模組的出現(xiàn)，先進(jìn)封裝技術(shù)又得到了進(jìn)一步提升，特別是在mil/aero市場(chǎng)。盡管如此，先進(jìn)封裝此前從未成為商業(yè)芯片制造商的首選，因?yàn)樵诠桀I(lǐng)域，縮小特征尺寸的成本更低，針對(duì)等比例縮小的工具和IP生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)很好地建立起來(lái)，并且從設(shè)計(jì)到盈利的時(shí)間（time-to-profitability）也更明確。
隨著finFETs和double patterning的引入，16/14nm節(jié)點(diǎn)處的經(jīng)濟(jì)發(fā)生顯著變化。在更新的節(jié)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)和制造成本將不斷增加。特征尺寸的縮小在5nm節(jié)點(diǎn)的過(guò)孔甚至和互連將需要新材料，5nm或3nm節(jié)點(diǎn)上需要新型晶體管結(jié)構(gòu)（目前來(lái)看，最可能的是全柵FET）。此外需要高數(shù)值孔徑的EUV，以及新的刻蝕、沉積和檢測(cè)設(shè)備。總而言之，這些步驟增加了在先進(jìn)工藝流程中開發(fā)和制造芯片的成本，能夠用足夠的體量來(lái)對(duì)沖這劇增成本的市場(chǎng)機(jī)會(huì)變得越來(lái)越少。
盡管EUV技術(shù)的持續(xù)延遲迫使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用metal1和metal2的多重曝光，但上述的那些因素對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)并不意外。然而，行業(yè)需要時(shí)間來(lái)開發(fā)可行的替代方案，并證明和改進(jìn)方案。EDA供應(yīng)商正在提供設(shè)計(jì)工具和完整的流程，支持選擇各種封裝技術(shù)構(gòu)建芯片，并且在高可見性市場(chǎng)（高知名度市場(chǎng)）中生產(chǎn)足夠的先進(jìn)封裝芯片，以證明該方案是可行的，比如蘋果、AMD、華為、思科、IBM和賽靈思（Xilinx）等供應(yīng)商，以及3D NAND、高帶寬內(nèi)存（HBM）和混合內(nèi)存立方體（Hybrid Memory Cube）等技術(shù)。
另外，在全球最大的IDM公司中，英特爾和三星現(xiàn)已提供低成本的專有橋接技術(shù)及代工服務(wù)。除了2.5D和3D封裝技術(shù)之外，所有主要的OSAT都提供一個(gè)或多個(gè)版本的扇出型晶圓級(jí)封裝（fan-out wafer-level packaging，fan-out WLP）技術(shù)。先進(jìn)封裝各個(gè)領(lǐng)域的增長(zhǎng)反映了這一現(xiàn)狀。
圖 1：不同平臺(tái)的先進(jìn)封裝營(yíng)收（縱坐標(biāo)單位為十億美元）。資料來(lái)源：Yole Developpement研究機(jī)構(gòu)于2017年5月發(fā)布的2017年先進(jìn)封裝行業(yè)報(bào)告
自動(dòng)化工具的設(shè)計(jì)
先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)的跡象之一是設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的發(fā)展。在三大EDA供應(yīng)商中，Cadence是率先提供封裝工具和解決方案。早在上個(gè)世紀(jì)九十年代，Cadence就進(jìn)入了這一市場(chǎng)，自2000年以來(lái)，它一直基于模擬芯片設(shè)計(jì)并不能簡(jiǎn)單套用等比例縮小原理的事實(shí)而從事相關(guān)的工具開發(fā)。而這一遠(yuǎn)見花了近15年的時(shí)間，終于成為市場(chǎng)主流，其他EDA供應(yīng)商也發(fā)現(xiàn)了封裝領(lǐng)域是一個(gè)值得投入研發(fā)的機(jī)會(huì)。
本月初，被西門子收購(gòu)的Mentor推出了用于先進(jìn)封裝的流程和新工具。該公司的高級(jí)IC封裝解決方案部門——Board Systems Division的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Keith Felton說(shuō)：“這個(gè)工藝現(xiàn)在類似于硅工藝。我們預(yù)計(jì)將推出多個(gè)設(shè)計(jì)套件。因此，您將看到兩個(gè)用于fan-out晶圓級(jí)封裝的套件，每個(gè)封裝都有細(xì)微變化，同時(shí)還將推出堆疊die，基板上晶圓上芯片（chip on wafer on substrate，CoWoS），高引腳數(shù)倒裝芯片和系統(tǒng)級(jí)芯片封裝(system-in-package，SiP)等多種封裝技術(shù)”。
Felton表示，上述設(shè)計(jì)套件將與其他工具一起使用，包括DFMtools和PCB分析和驗(yàn)證工具。
ANSYS總經(jīng)理兼副總裁John Lee表示：“這些都是基于物理的仿真。這不僅僅是關(guān)于半導(dǎo)體的問(wèn)題，還是熱分析和機(jī)械模擬。以臺(tái)積電的InFO技術(shù)硅片的晶圓級(jí)封裝為例，由于明顯的物理效應(yīng)，需要進(jìn)行同步熱學(xué)分析。這可能發(fā)生在7nm、10nm、16nm甚至更早的工藝節(jié)點(diǎn)。但散發(fā)熱量的元件將影響系統(tǒng)的可靠性。所以如果你考慮的是電遷移而不是熱效應(yīng)，那你的分析可能會(huì)偏悲觀；然而如果所以，如果你談?wù)摰氖请娺w移而不是熱量，那么你可能對(duì)世界有一個(gè)悲觀的看法。如果你的觀點(diǎn)不是悲觀的，那將會(huì)很危險(xiǎn)的”。
Synopsys公司董事長(zhǎng)兼聯(lián)合首席執(zhí)行官Aart de Geus表示，真正的關(guān)鍵在于將整個(gè)系統(tǒng)可視化，并構(gòu)建跨封裝方案的組件和工具。“因此，在IP解決方案上，你必須對(duì)其進(jìn)行描述使之在任何情況下都有效。整體仿真是對(duì)由各種形式的多個(gè)芯片組成的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)然也包括軟件仿真。對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，建立模型和原型的能力至關(guān)重要。包括針對(duì)數(shù)字和混合信號(hào)相關(guān)的設(shè)計(jì)”。
de Geus指出，它（代指上面的系統(tǒng)可視化？跨封裝方案的組件和工具？整體仿真？還是建立模型？我沒(méi)找到相關(guān)資料，前后文又聯(lián)系不起來(lái)，沒(méi)法準(zhǔn)確翻譯）該解決方案還包括硬件模擬（emulation）和軟件原型，“不管是在封裝內(nèi)部還是在7nm SoC上，你需要能夠在這些虛擬的硬件上運(yùn)行軟件”。
但這些應(yīng)用于先進(jìn)封裝的工具，在預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性上都還有很長(zhǎng)一段路需要繼續(xù)探索。
“EDA設(shè)計(jì)工具將給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)巨大影響，”TechSearch International總裁Jan Vardaman表示：“如果沒(méi)有設(shè)計(jì)工具，很多事情都無(wú)法完成，未來(lái)工具應(yīng)用將更加廣泛。在一個(gè)設(shè)計(jì)中，只要?jiǎng)澐衷试S，你想盡可能多地使用成熟工藝，為此，我們迫切需要設(shè)計(jì)工具。”
封裝策略
“隨著產(chǎn)品一代代演進(jìn)，我們的第一代方法逐漸成為常態(tài)，”ASE的高級(jí)工程總監(jiān)Ou Li如是說(shuō)，“隨著先進(jìn)產(chǎn)品的發(fā)展，我們可以把所學(xué)到的東西用于其他產(chǎn)品，希望利用學(xué)習(xí)曲線、機(jī)器學(xué)習(xí)及產(chǎn)能，我們能夠容納其余的這些產(chǎn)品。因此，最先進(jìn)的產(chǎn)品得到了產(chǎn)量和業(yè)務(wù)規(guī)模的支持。對(duì)于規(guī)模更小、更分散的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這些情況可能不會(huì)出現(xiàn)。但是對(duì)于產(chǎn)品需求來(lái)說(shuō)則正好相反，這是因?yàn)槲覀円呀?jīng)從其他產(chǎn)品中認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)。”
盡管如此，市場(chǎng)分化仍然有影響。隨著由軟件所定義的設(shè)計(jì)越來(lái)越多（而不是利用通用硬件平臺(tái)將差異化編碼到軟件中），每個(gè)設(shè)計(jì)都變得與眾不同，并且終端客戶的要求也更為嚴(yán)格。
“每個(gè)不同類別的產(chǎn)品都面臨不同的挑戰(zhàn)，”李說(shuō)，“但對(duì)于系統(tǒng)級(jí)芯片封裝SiP來(lái)說(shuō)，我們必須嚴(yán)格滿足客戶需求。這是所有先進(jìn)封裝的趨勢(shì)。
下一步是開始構(gòu)建平臺(tái)，以便更快速地交換系統(tǒng)組件，并利用封裝增加所謂的“大規(guī)模定制（Mass Customization，MC）”方法。
STATS ChipPAC的全球產(chǎn)品營(yíng)銷副總裁Scott Sikorski表示：“真正的機(jī)會(huì)是將所有功能集成到一個(gè)平臺(tái)上。這將推動(dòng)下一個(gè)階段的增長(zhǎng)。eWLB（嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列）這種扇出型封裝可用于構(gòu)建那些已經(jīng)以不同方式構(gòu)建的芯片。”
企業(yè)采用這種封裝方案的速度還有待觀察。在過(guò)去的18個(gè)月里，人們對(duì)于fan-out的需求一直很高，但開發(fā)這類設(shè)備的能力有限。不過(guò)，最近這一情況發(fā)生了變化，因?yàn)榉鉁y(cè)代工廠OSAT提升了他們的產(chǎn)能。
Sikorski說(shuō)：“現(xiàn)在更多OSAT企業(yè)具有了開發(fā)大量設(shè)備的能力，不久將有更多設(shè)備投入市場(chǎng)。”Sikorski指出，封裝作為一個(gè)集成平臺(tái)也開始受到關(guān)注。“由于你已經(jīng)擁有所有的基礎(chǔ)模塊，因此集成平臺(tái)是一種非常低成本的方法。最初，我們認(rèn)為這將是一種PoP（Package on Package）封裝形式，在芯片周圍存在一個(gè)通孔結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為，供應(yīng)鏈還沒(méi)有準(zhǔn)備好。”
學(xué)習(xí)曲線
過(guò)去幾年的一大進(jìn)步來(lái)自于在各種市場(chǎng)上使用先進(jìn)封裝的經(jīng)驗(yàn)。
“做封裝、測(cè)試和DFT的人現(xiàn)在成為了搖滾明星，”eSilicon營(yíng)銷副總裁Mike Gianfagna說(shuō)：“甚至封裝的復(fù)雜性也在增長(zhǎng)。使用2.5D封裝技術(shù)，必須考慮硅襯底、熱量和機(jī)械應(yīng)力以及更多的分析。因此，封裝和DFT團(tuán)隊(duì)進(jìn)入開發(fā)過(guò)程的時(shí)間更早一起，DFT甚至可以影響整個(gè)時(shí)間表。”
我們的目標(biāo)是在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加更多的可預(yù)測(cè)性，而這需要時(shí)間。不過(guò)，企業(yè)高管和分析師認(rèn)為可預(yù)測(cè)性正在改善。
“這仍然不是常規(guī)的，因?yàn)槿魏涡录夹g(shù)或技術(shù)節(jié)點(diǎn)都有學(xué)習(xí)曲線，”Gianfagna如是說(shuō)，“幾乎在每一塊芯片上，我們都在首次嘗試某些新技術(shù)。但是，在識(shí)別問(wèn)題，了解芯片、內(nèi)存、高性能I/O和基板之間的相互作用等方面，我們正在爭(zhēng)取做得更好。”
Cadence的engineering group director Brandon Wang說(shuō)，所有主要的網(wǎng)絡(luò)公司現(xiàn)在都在采用2.5D設(shè)計(jì)。“明年將會(huì)推出新產(chǎn)品，”Wang說(shuō)。“你將在其他芯片封裝中看到更多的傳感器，特別是MEMS芯片。盡管如此，這些設(shè)計(jì)的性質(zhì)是截然不同的。直到最近，許多設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)被分割 這種表述合理嗎？）都被分割得很細(xì)，因此很難為它們創(chuàng)造出一套方法。但設(shè)計(jì)的方向是確定的，由于傳感器價(jià)格低廉，因此它們將成為更標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)單元。這更像是一種平臺(tái)化的方法，利用該方法你可以很快地獲得所需要的東西。”
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要多個(gè)die的協(xié)同設(shè)計(jì)，其中傳感器參數(shù)與其余電子元件需同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
“傳感器將無(wú)處不在，必須對(duì)它們進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，”Wang說(shuō)，“傳感器將變得更加以電氣為中心。電子設(shè)計(jì)師仍然專注于終端設(shè)備的產(chǎn)量，而平臺(tái)將使他們能夠?qū)Ｗ⒂陔姎庑阅懿⑴c傳感器平臺(tái)溝通。每個(gè)系統(tǒng)都將擁有傳感器，但你可以設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)特定情況進(jìn)行優(yōu)化的傳感器集線器（sensor hub）。這樣，如果你將5個(gè)傳感器集成為一個(gè)傳感器集線器，其價(jià)格不是單個(gè)傳感器的5倍，也許只有1.3倍。而且，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器或傳感器集線器，所以你知道它的工作方式。”
對(duì)平臺(tái)上的關(guān)注是這一戰(zhàn)略的關(guān)鍵。這樣可以更容易地將異構(gòu)性添加到具有更強(qiáng)可預(yù)測(cè)性結(jié)果的設(shè)計(jì)中。但平臺(tái)也可以大大降低設(shè)計(jì)成本，因?yàn)樗鼈兙哂薪?jīng)濟(jì)上的規(guī)模效應(yīng)，從而更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
ARM市場(chǎng)開發(fā)高級(jí)總監(jiān)Bill Neifert表示：“客戶正在尋求更多來(lái)自我們的指導(dǎo)和設(shè)計(jì)建議。去年我們提出了設(shè)計(jì)指導(dǎo)，但不僅僅是關(guān)于處理器的，還關(guān)乎性能和功耗。 我們還有一個(gè)預(yù)先構(gòu)建的軟件平臺(tái)來(lái)幫助他們克服傳統(tǒng)的障礙。”
其中一個(gè)問(wèn)題是，不再有一個(gè)最優(yōu)方法來(lái)完成某些工作。過(guò)去，工藝是由工藝過(guò)程的節(jié)點(diǎn)來(lái)度量的，對(duì)異構(gòu)性的強(qiáng)調(diào)大幅度增加了可能的選擇數(shù)目。并非所有功能都必須集成到單個(gè)die中，即使在同一工藝節(jié)點(diǎn)上，許多時(shí)候從一個(gè)代工廠到下一個(gè)代工廠，IP都會(huì)發(fā)生顯著變化。
“現(xiàn)在我們正在與主要合作伙伴一起參與到設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。”Neifert說(shuō)：“甚至包括早期RTL電路的設(shè)計(jì)，盡管更典型的情況是，RTL電路設(shè)計(jì)是在IP級(jí)而非子系統(tǒng)級(jí)上完成的。現(xiàn)在它包括從安全要求到安保的一切相關(guān)環(huán)節(jié)。我們?cè)噲D找出其中的薄弱環(huán)節(jié)，這樣，當(dāng)我們把所有環(huán)節(jié)集成到一起之后，就沒(méi)有潛在問(wèn)題了。”
上述情形僅僅是一個(gè)開始。EDA設(shè)計(jì)工具和流程的推出將在這些設(shè)備（前面幾段沒(méi)有設(shè)備相關(guān)的內(nèi)容，指代不明，譯成芯片？半導(dǎo)體設(shè)備？）中增加一個(gè)全新的控制級(jí)別。
“你將看到擁有更高精度、更小特征尺寸（的芯片），并且我們將開始以3D方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。”Mentor的Felton說(shuō)：“你將能夠?yàn)榛濉僭O(shè)’情況構(gòu)建藍(lán)圖，擁有包含熱驗(yàn)證的芯片級(jí)模型。”
（學(xué)習(xí)曲線的）目標(biāo)是對(duì)不同的封裝方案進(jìn)行早期分析，這對(duì)選擇基板、封裝類型、IP以及芯片內(nèi)部和芯片間的互連方式顯得尤其重要。
“用戶類型是各不相同的，” Felton說(shuō)，“有的IC設(shè)計(jì)師和架構(gòu)師提出諸如堆疊die或PoP封裝類型，并將它們交給另一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。這需要專門的解決方案和流程。 使之從機(jī)械實(shí)現(xiàn)遷移到EDA設(shè)計(jì)工具上。”
結(jié)論
摩爾定律歷經(jīng)52年，單個(gè)die上的芯片設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)可以非常容易地預(yù)測(cè)到了。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)也都已經(jīng)到位，它就像一臺(tái)精密調(diào)諧的機(jī)器。先進(jìn)封裝需要時(shí)間才能達(dá)到同等水平的可預(yù)測(cè)性，但是現(xiàn)在有了足夠多的系統(tǒng)解決方案，而且有很多成功的封裝案例，先進(jìn)封裝不再是一種巨大的賭博。隨著更多工具和可預(yù)測(cè)性被創(chuàng)造出來(lái)，它們的價(jià)格也將繼續(xù)下降，從而進(jìn)一步支持fan-out和2.5D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，少數(shù)幾家公司將繼續(xù)在最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上縮減邏輯（尺寸），但越來(lái)越多的公司在將圍繞該邏輯的封裝中加入更多元素。未來(lái)是異構(gòu)的，最簡(jiǎn)單的方法將是在一個(gè)封裝中（而非在單個(gè)die上）將這些元素集成起來(lái)。