隨著半導(dǎo)體前端節(jié)點變得越來越小，設(shè)計成本快速增加。在這種情況下，先進封裝及其 2.5D 和 3D 解決方案在降低與前端制造相關(guān)的成本影響方面變得至關(guān)重要且有效，同時還有助于提高系統(tǒng)性能并提供更低的延遲、更高的帶寬和電源效率。

　　根據(jù) Yole 的定義，如果一個die能在每平方毫米內(nèi)能集成超過16個pitch小于130μm的I/O。如超高密度 (UHD) 扇出、嵌入式硅橋、硅中介層、3D 堆棧存儲器（例如 3D NAND）、高帶寬存儲器（HBM）和 3D 堆棧 DRAM 就是滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的一些封裝平臺（圖1)。

　　另一個值得考慮的平臺是 3DSoC，它采用芯片到晶圓 (D2W:die-to-wafer) 的混合鍵合。嵌入式硅橋（embedded Si bridges）有兩種可能的選擇：第一種，稱為 EMIB，由 Intel 提出并嵌入IC基板中；第二種是嵌入模制化合物（mold compound）中的硅中介層，由 TSMC (LSI) 和 SPIL (FOEB) 提供。

　　具體到硅中介層（ Si interposers）方面，則有兩種產(chǎn)品：一種是傳統(tǒng)的或非有源的，通常由 TSMC、三星和 UMC 提供；另一種是有源的，即英特爾的 Foveros。把EMIB 與 Foveros 結(jié)合則產(chǎn)生了 Co-EMIB，這個技術(shù)被應(yīng)用到了英特爾的 Ponte Vecchio處理器上。三星、SK海力士和美光則提供了3D 堆疊 DRAM 和 HBM 內(nèi)存。

　　值得一提的是，長江存儲是迄今唯一一家使用晶圓對晶圓(W2W：wafer to wafer) 混合鍵合技術(shù)生產(chǎn) 3D NAND 的公司。但包括鎧俠和上述三家公司在哪的競爭對手都在考慮進攻這項技術(shù)。

　　此外，Sony（自2015年起）和OmniVision（自2022年起）這樣的CIS供應(yīng)商使用W2W混合鍵合生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器也是一種3D堆疊封裝平臺，但它們不是高端性能平臺，因為它不能滿足I/O方面密度和間距的要求 ，這代表著其與上述封裝有著相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>

　　前途無量的先進封裝市場

　　與其他封裝平臺相比，高端性能封裝的單位數(shù)量很小，但由于其復(fù)雜性導(dǎo)致平均售價較高，因此它產(chǎn)生的收入比例更高。預(yù)計到 2027 年收入將超過145億美元，高于 2022 年的 26億美元，這就意味著其在2022到2027年間的CAGR為41%（圖 2）。

　　這種健康增長歸因于包括云計算、網(wǎng)絡(luò)、人工智能、自動駕駛、個人計算和游戲在內(nèi)的高性能計算終端系統(tǒng)的增加。這些應(yīng)用都需要用更復(fù)雜的節(jié)點生產(chǎn)更大、更復(fù)雜的芯片，這些節(jié)點會隨著成本的增加而擴展。這些趨勢促使半導(dǎo)體行業(yè)制定具有高端封裝選項的系統(tǒng)級擴展策略，而不僅僅是擴展 FE 高級節(jié)點。

　　通過將大型單片 SoC 裸片拆分成更小的芯片并僅縮放最關(guān)鍵的電路組件，小芯片以及異構(gòu)集成是降低縮放成本的一種選擇。這只能通過使用具有高連接密度、高帶寬和良好功率效率的 2.5D 和 3D 集成技術(shù)來實現(xiàn)。因此，由于研發(fā)和生產(chǎn)方面的重大進步，微凸塊、硅通孔 (TSV)、銅柱和混合鍵合正在推動高端性能應(yīng)用中的 IO 密度和功能集成達到新高度。

　　3D SoC（包括die-to-wafer和die-to-die混合封裝）則被看作是10μm以下pitch技術(shù)的下一個突破點。作為前端封裝技術(shù)，這使得高端系統(tǒng)級性能與3D DRAM的更密集的3D IC堆疊、異構(gòu)集成封裝和封裝分區(qū)SoC die成為可能。領(lǐng)先的供應(yīng)商，尤其是臺積電、三星和英特爾，都以此為目標(biāo)，提供或計劃提供尖端的混合鍵合解決方案。這也許是半導(dǎo)體和封裝世界之間的真正接觸點。

　　先進封裝正在向前端靠攏。證據(jù)在于代工廠和 IDM，因為它們正在成為市場上最先進的2.5D 和 3D 封裝解決方案領(lǐng)導(dǎo)者。OSAT 正努力順應(yīng)這一趨勢，提供創(chuàng)新的先進封裝解決方案，以幫助解決摩爾定律放緩帶來的前端挑戰(zhàn)，但他們要打入混合鍵合市場將是極其困難的，因為他們?nèi)狈η岸四芰捅匾馁Y源。

　　當(dāng)然，我們也必須承認(rèn)，沒有事情是百分百的。

　　拆解當(dāng)前的先進封裝市場

　　封裝技術(shù)不斷發(fā)展，以滿足日益增長的芯片集成度和對每個組件更高性能的需求。芯片封裝已經(jīng)完成了從其傳統(tǒng)用途的演變。在傳統(tǒng)用途中，芯片封裝僅用作芯片保護。現(xiàn)在，封裝的設(shè)計選擇在解決縮放的減速和滿足對高性能的多樣化需求方面起著至關(guān)重要的作用。

　　通過2.5D&3D異構(gòu)封裝技術(shù)也實現(xiàn)了更小的占用空間和超高布線。

　　最近，新的參與者進入了先進封裝解決方案領(lǐng)域，以提高其高端產(chǎn)品的性能。各種架構(gòu)和功能也用于增強die之間的互連。例如，硅通孔與die之間的垂直連接已成為一種有吸引力的解決方案，可用于減小封裝尺寸、提高信號完整性并在 HBM 存儲器中提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。傳統(tǒng)的銅微凸塊用于創(chuàng)建短而快速的芯片到芯片或芯片到基板的互連。盡管縮小凸點（bumps）變得越來越困難，但一些廠商已經(jīng)推出了一種使用混合鍵合的新解決方案，以提供直接的、更高密度的互連和可擴展的互連間距。

　　Yole 對先進封裝市場最近出現(xiàn)的各種封裝解決方案進行了分析和比較并發(fā)現(xiàn)：NVIDIA 的 A100 使用 TSMC 的大型硅中介層連接 GPU 和 HBM 內(nèi)存，從而優(yōu)化了占用空間并提高了組件性能；然而，中介層的成本相對較高，因為封裝中超過 50% 的芯片全部對應(yīng)的中介層芯片。面對這些挑戰(zhàn)和硅中介層工藝的成本影響，一些制造商（如 AMD）使用替代解決方案（例如模制中介層 （mold interposer））來減小硅芯片的尺寸和成本。AMD 的 MI210 組件將芯片集成在扇出高架橋接（ fan-out elevated bridge technology）技術(shù)中，其中多個橋接芯片將處理器裸片連接到 HBM 內(nèi)存（圖 3）。橋接芯片嵌入封裝成型中，HBM 和 GPU 裸片堆疊在模具中介層（ mold interposer）上，銅柱結(jié)構(gòu)穿過成型件，用于將信號從裸片垂直傳輸?shù)交濉Ｔ摻鉀Q方案提供了更好的電氣性能并降低了成本。

　　Apple 憑借其 Apple M1 Ultra 組件也進入了先進封裝市場，該組件使用本地硅中介層連接兩個處理器，將這項技術(shù)標(biāo)記為超融合（ultra-fusion）。這種新穎的封裝工藝，包括芯片優(yōu)先工藝（chip-first）和最后再分配（redistribution last）工藝，這也正是臺積電的 InFO-L 工藝。該組件中使用的 LPDDR5 內(nèi)存并未直接與處理器芯片互連，而是僅集成在封裝基板級別。

　　面對先進封裝縮放和互連方面的不同挑戰(zhàn)，混合鍵合已被引入作為各種半導(dǎo)體組件的封裝解決方案。

　　2022年，AMD還首創(chuàng)了V-Cache技術(shù)。它通過使用芯片到晶圓混合鍵合將緩存芯片連接到處理器來使用額外的緩存。這種使能技術(shù)允許高速緩存的垂直堆疊，以改進互連、減少鍵合間距并加快處理器內(nèi)核對高速緩存的訪問。一旦混合鍵合良率得到優(yōu)化，該工藝將為 3D 封裝提供更有前途的解決方案。

　　臺積電在覆蓋前端和后端方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因為它具有制造用于最新處理器芯片的先進節(jié)點的代工能力，并提供 OSAT 無法提供的先進和復(fù)雜的后端服務(wù)。異構(gòu)解決方案使具有不同功能的多個小芯片和來自不同制造工藝流程的芯片能夠集成到一個封裝中。主要目標(biāo)是提供一種具有成本效益的集成方案，同時具有改進的性能、更高的傳輸速度和更低的功耗。

　　對設(shè)備和材料的要求

　　先進封裝設(shè)備與現(xiàn)有平臺一樣多種多樣，服務(wù)于所有級別的互連，即在 Si 芯片（或小芯片）、Si 光子芯片、布線或再分布層 (RDL：redistribution layers) 級別。當(dāng)中還包括如嵌入式橋接器或有機中介層、Si 中介層、IC 基板和高級印刷電路板 (PCB)在內(nèi)的嵌入式布線。在每個級別，我們都看到了減小互連間距和線間距 (L/S：line space) 的趨勢。制造這種互連的復(fù)雜性來自于形成它們的各種互連形狀和材料。互連類型、制造方法和使用的設(shè)備可以根據(jù)基板類型（晶圓或面板）和材料（Si、有機、玻璃）進行區(qū)分。

　　晶圓級封裝 (WLP) 設(shè)備相對完善。該設(shè)備不斷優(yōu)化，以應(yīng)對清潔和溫度控制、高縱橫比特性、增加的粗糙度、翹曲控制以及對封裝中各種材料的考慮等挑戰(zhàn)。

　　硅芯片頂部的布線以及硅通孔 (TSV) 均采用薄膜技術(shù)制造。對于寬松的 L/S，可以使用成熟的 MEMS 類型的設(shè)備，滿足core-FO、扇入、倒裝芯片和低端硅中介層的制造需求。對于更嚴(yán)格的 L/S，來自領(lǐng)先設(shè)備制造商的前端 300 毫米設(shè)備用于制造 BEOL 布線、TSV 或用于高端硅中介層、硅橋接芯片、3D 堆棧存儲器和 3D SoC。WLP FO（HD 和 UHD）考慮了略有不同的方法，其中 RDL 或通模通孔（TMV：Through-Mold-Vias）被制造到環(huán)氧模塑料 (EMC：Epoxy Mold Compound)。

　　布線完成后，芯片通過混合鍵合較大的焊料凸塊（ bigger solder bumps）、較小的銅柱（ smaller Cu pillars）、微凸塊（microbumps）或最小的直接銅焊盤（smallest direct Cu pad進行互連。其中，混合鍵合是設(shè)備和材料供應(yīng)商在芯片和晶圓處理、鍵合后光刻、沉積、減薄和平面化、蝕刻和等離子切割以及混合互連核心方面的技術(shù)轉(zhuǎn)折點。

　　面板級封裝 (PLP) 設(shè)備和材料供應(yīng)鏈更為復(fù)雜，通常使用定制設(shè)備在 EMC、有機面板、味之素積層膜（ABF）和玻璃之上互連。PLP 可以使用減材（ subtractive）或增材（additive）工藝，其中設(shè)備優(yōu)化通常受到表面貼裝技術(shù) (SMT)、半導(dǎo)體和平板顯示器行業(yè)的啟發(fā)，以解決非對稱翹曲、更厚的基板、涂層或沉積的均勻性和減薄、粗糙度增加以及處理低溫材料等挑戰(zhàn)。此外，由于缺乏適用于嚴(yán)格 L/S 的面板處理計量和檢測工具，PLP 過程控制很困難。IC 基板和先進的 PCB 面臨互連間距減小的挑戰(zhàn)，我們看到從 SMT 到薄膜的轉(zhuǎn)變技術(shù)。對于嵌入式橋接器的拾取和放置以及層壓到有機面板中的互連間距變得更加嚴(yán)格，RDL-first 用于 2.3D 有機中介層或 Chip-last FO。

　　總而言之，WLP 和 PLP 技術(shù)的改進與高端硅芯片的進步是互補的。因此，我們繼續(xù)看到許多令人振奮的發(fā)展。

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