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幾十年來，英特爾等集成電路（IC）供應(yīng)商都會(huì)設(shè)計(jì)一種將所有功能集成在同一片芯上的芯片，然而，隨著行業(yè)看到摩爾定律的放緩（芯片密度不再每?jī)赡攴环?，擴(kuò)展單片IC變得越來越困難和昂貴。這促使IC供應(yīng)商轉(zhuǎn)向了“先進(jìn)半導(dǎo)體封裝”。因此，先進(jìn)封裝已被譽(yù)為下一代IC的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
目前，應(yīng)用先進(jìn)封裝的領(lǐng)域不勝枚舉，人工智能（AI）、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)駕駛汽車、5G都有它身影。而一些以技術(shù)見長(zhǎng)的頭部玩家更是對(duì)先進(jìn)封裝情有獨(dú)鐘，紛紛下場(chǎng)一顯身手。
什么是先進(jìn)半導(dǎo)體封裝？
半導(dǎo)體封裝已經(jīng)存在了幾十年，第一批量產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初。說實(shí)話，盡管封裝形式多種多樣，但萬變不離其宗，都是為了保護(hù)其中的芯。
半導(dǎo)體封裝技術(shù)——集成、封裝與互連
一般來說，封裝是制造半導(dǎo)體器件的最后兩個(gè)步驟——封測(cè)——之一，然后還要對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試。先進(jìn)封裝的出現(xiàn)使這兩個(gè)步驟出現(xiàn)了分離，筆者認(rèn)為，封裝變得更加獨(dú)立了，功能上已突破了原來的保護(hù)作用。
以IC封裝過程為例，首先要將IC裸片封裝在具有電觸點(diǎn)的支撐殼中。通過這種方式，用外殼保護(hù)IC裸片免受物理損傷和腐蝕的影響，同時(shí)將IC與PCB板上的其他器件連接在一起。
通用電子封裝有四個(gè)流程：一是半導(dǎo)體裸片；二是封裝IC（例如：CPU、內(nèi)存等），以及其他電氣/機(jī)械裝置（例如：電容器、電阻器、開關(guān)、天線等）；三是板級(jí)封裝（例如：在PCB板上）；四是最終的系統(tǒng)。
通用電子封裝
如前所述，由于摩爾定律的放緩和單片IC制造成本的顯著增加，IC供應(yīng)商需要新的方法來設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能并同時(shí)保持成本效益的處理器。一種被稱為“小芯片（chiplet）”的新設(shè)計(jì)登上了舞臺(tái)，并日漸成為未來的關(guān)鍵趨勢(shì)。
小芯片的背后
人們發(fā)明小芯片的想法是想將單片IC“拆分”為多個(gè)功能塊，將功能塊重組為單獨(dú)的小芯片，然后在封裝級(jí)別“重新組裝”這些小芯片。理想情況下，基于小芯片設(shè)計(jì)的處理器應(yīng)該具有與單片IC相同或更高的性能，但總的生產(chǎn)成本更低。
而封裝方法，特別是用于連接多個(gè)小芯片的封裝方法將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此在小芯片設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些封裝技術(shù)包括2.5D IC、3D IC和高密度扇出晶圓級(jí)封裝等，都被歸類為“先進(jìn)半導(dǎo)體封裝”。它們可以在單個(gè)基板上的不同工藝節(jié)點(diǎn)處合并多個(gè)小芯片，并且具有很小的凸點(diǎn)尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的互連密度和更高的集成能力。
凸點(diǎn)大小的意義
1965年發(fā)明了第一個(gè)半導(dǎo)體封裝，此后封裝技術(shù)不斷發(fā)展?，F(xiàn)在，封裝技術(shù)多種多樣，從最廣泛使用的引線鍵合到最先進(jìn)的3D IC。
哪些技術(shù)被歸類為先進(jìn)半導(dǎo)體封裝呢？一種分類方法是根據(jù)凸點(diǎn)間距大小。較小的凸點(diǎn)間距尺寸意味著更多的I/O數(shù)和更高的互連密度，這是許多高計(jì)算應(yīng)用所需要的特性。不同公司提供不同的封裝技術(shù)，包括3D混合鍵合、3D微凸點(diǎn)、2.5D嵌入式硅橋、2.5D全硅中介層、2.5D扇出（有機(jī)中介層）、倒裝芯片、扇入等，不一而足。其最小凸點(diǎn)間距不盡相同，通常，將先進(jìn)半導(dǎo)體封裝定義為凸點(diǎn)尺寸小于100μm的任何封裝。
I/O隨著凸點(diǎn)大小的減小而增加，例如：10μm凸點(diǎn)尺寸封裝技術(shù)可以提供大約400倍于200μm凸點(diǎn)尺寸封裝技術(shù)的I/O數(shù)。
臺(tái)積電開發(fā)的CoWoS（帶硅中介層的基板上晶圓芯片）
所謂異構(gòu)集成
異構(gòu)集成的基本概念是將多個(gè)有不同功能的組件組合在同一個(gè)封裝中。在某種意義上講，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝就是一種“異構(gòu)集成”，是指將IC到無源/有源電氣/機(jī)械組件的多個(gè)器件集成到一個(gè)封裝中，以此作為單個(gè)電子器件的封裝技術(shù)。
如下面的流程所示，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝是一種介于傳統(tǒng)IC FeOL（半導(dǎo)體制造）和BeOL（傳統(tǒng)封裝）之間的又一種封裝工藝。
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝流程
和通用電子封裝有四個(gè)流程相仿：一是封裝IC或裸片（例如：CPU、內(nèi)存等），電氣/機(jī)械裝置（例如：電容器、電阻器、開關(guān)、天線等）；二是將多個(gè)IC或裸片和一些其他電氣/機(jī)械組件封裝到一個(gè)單獨(dú)的封裝中；三是板級(jí)封裝（例如：在PCB板上）；四是最終系統(tǒng)。不同之處在于將第二步的集成內(nèi)容提前到了第一步。
異構(gòu)集成有點(diǎn)像系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP），但它并不是將多顆裸片集成在基板上，而是將多個(gè)IP以小芯片的形式集成在基板上。其意義在于，將分開制造（不同制造工藝）的不同元件集成到更高級(jí)別的器件中，有助于增強(qiáng)功能并改進(jìn)器件特性。
先進(jìn)封裝的關(guān)鍵市場(chǎng)
IDTechEx“2023-2033年先進(jìn)半導(dǎo)體封裝”報(bào)告指出，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝是下一代IC的關(guān)鍵基礎(chǔ)，將在四個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)發(fā)揮重要的作用：數(shù)據(jù)中心、5G、自動(dòng)駕駛汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品。采用的先進(jìn)封裝技術(shù)包括2.5D嵌入式硅、2.5硅內(nèi)插器、2.5D（超）高密度扇出和3D管芯堆疊。
IDTechEx技術(shù)分析師Yu Han Chang博士認(rèn)為，先進(jìn)半導(dǎo)體封裝為以數(shù)據(jù)為中心的未來鋪平了道路。如今，數(shù)據(jù)在各個(gè)層面和幾乎每個(gè)行業(yè)都呈爆炸式增長(zhǎng)，數(shù)字世界每秒鐘都會(huì)產(chǎn)生4000太字節(jié)的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)這一數(shù)字在未來只會(huì)上升，盡管不是大幅上升。
他指出，機(jī)器學(xué)習(xí)和AI等數(shù)據(jù)豐富的應(yīng)用是數(shù)據(jù)中心、5G和自動(dòng)駕駛汽車等廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)推動(dòng)者。要運(yùn)行這些應(yīng)用，需要一個(gè)強(qiáng)大的處理器，其基礎(chǔ)是基于硅的集成電路的技術(shù)創(chuàng)新。言外之意，在摩爾定律不給力的前提下，先進(jìn)封裝同樣可以被認(rèn)為是一種技術(shù)創(chuàng)新。
服務(wù)器加速先進(jìn)封裝單元出貨量趨勢(shì)
先進(jìn)封裝直擊應(yīng)用痛點(diǎn)
事實(shí)上先進(jìn)封裝的意義已經(jīng)超出了封裝本身，封裝天線（AiP）就是一個(gè)典型的例子。AiP通過封裝技術(shù)將天線與芯片集成在封裝內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的無線功能，成為目前毫米波5G NR的首選封裝技術(shù)基準(zhǔn)。
封裝天線技術(shù)將無源天線陣面、多種功能模塊與無源天線集成在一起，滿足了毫米波AiP解決方案中兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是IC和天線之間的互連應(yīng)在所需頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生低插入損耗和可接受的回波損耗；二是尺寸應(yīng)盡可能小。
三種常見天線集成方法中一些關(guān)鍵因素比較
未來的6G時(shí)代，片上/晶圓上天線（AoC/AoW）將進(jìn)一步滿足新一代系統(tǒng)的微型化、多功能、高性能、低功耗、低成本等多種需求。
頭部玩家的先進(jìn)封裝之舉
先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的參與者非常多，其解決方案涵蓋（超）高密度扇出（有機(jī)中介層）、3D片芯堆疊、2.5D硅中介層、2.5D嵌入式硅橋、3D堆疊存儲(chǔ)器等幾大類。
龍頭代工廠及其解決方案當(dāng)然還是臺(tái)積電（InFO，集成扇出）、日月光（FOCoS，芯片后裝的基板上扇出芯片）、三星（2.5D RDL（再分布層））、Amkor Technology（S-SWIFT，高密度扇出線），也包括中國(guó)的長(zhǎng)電科技（XDFOI，多維扇出封裝集成）。
從技術(shù)節(jié)點(diǎn)看，臺(tái)積電和三星2020年實(shí)現(xiàn)了4/5納米商用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，英特爾是在2022年，更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)還在試驗(yàn)和開發(fā)中。
這兩年AMD的奮起直追讓處理器兩大廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入了白熱化階段。據(jù)DigiTimes報(bào)道，2025年之前臺(tái)積電和格芯大概率仍然是AMD的主要代工合作伙伴。不過，AMD也會(huì)將三星放入供應(yīng)鏈。
2020年底，AMD發(fā)布了GPU小芯片設(shè)計(jì)的新專利，其設(shè)計(jì)是將一個(gè)大型單片GPU拆分為幾個(gè)小芯片，并使用扇出封裝技術(shù)連接不同的片芯，但在基板上方添加一個(gè)小硅橋來連接兩個(gè)片芯（AMD高架扇出橋2.5D）。
AMD未來顯卡GPU小芯片設(shè)計(jì)
2023年初，AMD首發(fā)Navi 31 GPU，正式進(jìn)入小芯片時(shí)代。歷史上第一個(gè)小芯片GPU是1個(gè)GCD+6個(gè)MCD的組合體，有580億個(gè)晶體管，采用臺(tái)積電先進(jìn)5納米工藝制造。不過，其中較小的MCD小芯片尺寸僅為37平方毫米，包含內(nèi)存控制器和Infinity緩存，使用6納米工藝制造，不需要使用最新工藝。這意味著，小芯片架構(gòu)的使用降低了成本，因?yàn)槭褂贸叽绺〉男酒兄跍p少一個(gè)晶圓上的缺陷芯片數(shù)量。
2022年8月，英特爾針對(duì)AI和HPC應(yīng)用推出Ponte Vecchio封裝的HPC GPU旗艦產(chǎn)品。Ponte Vecchio擁有超過1000億個(gè)晶體管，將結(jié)合英特爾內(nèi)部代工廠和臺(tái)積電先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)不同節(jié)點(diǎn)。
其計(jì)算瓦片（tile）將在臺(tái)積電的N5節(jié)點(diǎn)上制造，Xe Link瓦片將在臺(tái)積電的N7（7nm）節(jié)點(diǎn)上制造，F(xiàn)overos/Rambo Cache瓦片將在Intel 7（以前的10nm ESF）節(jié)點(diǎn)上制造。
Ponte Vecchio結(jié)合了英特爾的前沿封裝技術(shù)，即Foveros（一種3D堆疊技術(shù)）和EMIB：兩個(gè)基礎(chǔ)瓦片（基礎(chǔ)瓦片——HBM和計(jì)算瓦片——RAMBO）之間的連接都通過EMIB連接，而計(jì)算瓦片——基礎(chǔ)瓦片和RAMBO與基礎(chǔ)瓦片通過Foveros堆疊技術(shù)連接。
根據(jù)英特爾的說法，Ponte Vecchio和Sapphire Rapids HBM CPU將是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Exascale Aurora超級(jí)計(jì)算機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分。截至目前，Ponte Vecchio GPU仍處于客戶送樣階段。
英特爾Ponte Vecchio封裝
再來看應(yīng)用端，ADAS/自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是當(dāng)前的熱點(diǎn)應(yīng)用，面臨著諸多挑戰(zhàn)，既要求高性能、低功耗、系統(tǒng)占位面積小，又要求高性價(jià)比，因此需要高晶體管數(shù)量來應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的性能和高系統(tǒng)可用性要求，同時(shí)通過軟件輕松升級(jí)車輛功能。
高晶體管數(shù)量意味著更大的IC片芯，傳統(tǒng)的組件級(jí)零缺陷方法不再適用，需要從系統(tǒng)級(jí)角度來考量。制造大尺寸高端芯片也會(huì)帶來工藝方面的挑戰(zhàn)，未來可能會(huì)采用小芯片設(shè)計(jì)。
另外，CPU和其他組件的異構(gòu)集成，如HBM（高帶寬內(nèi)存）和可靠的電力輸送系統(tǒng)，需要與系統(tǒng)及組件優(yōu)化相關(guān)的熱管理；在處理熱約束方面，還需要新型高導(dǎo)電TIM（熱界面材料），同時(shí)也需要協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)布局。
當(dāng)然，新的先進(jìn)互連和封裝技術(shù)可能會(huì)增加成本，可能帶來更高的風(fēng)險(xiǎn)。
自研的也不例外
在汽車領(lǐng)域，有了領(lǐng)頭羊特斯拉，大眾也決定追求自研芯片設(shè)計(jì)，首席執(zhí)行官Herbert Diess曾表示，從汽車到芯片，只有一步之遙。他解釋說：“隨著汽車對(duì)計(jì)算的要求越來越高，軟件和硬件應(yīng)該來自同一個(gè)地方?！?022年7月Herbert Diess因未能達(dá)到開發(fā)預(yù)期突然離職。
不過，這也沒有耽誤大眾的自研，2023年5月，大眾汽車軟件部門Cariad為加強(qiáng)其美國(guó)技術(shù)中心的研發(fā)能力，聘請(qǐng)了多位半導(dǎo)體專家，其中就包括來自特斯拉和蘋果的頂級(jí)半導(dǎo)體專家。與特斯拉一樣，三星似乎也是大眾新的自研芯片的潛在制造供應(yīng)商。此前曾有分析認(rèn)為，大眾可能將自主設(shè)計(jì)芯片外包給臺(tái)積電代工生產(chǎn)。截至2021年11月，與臺(tái)積電合作車用半導(dǎo)體的還有美國(guó)通用汽車（GM）。
2021年5月，為緩解芯片短缺問題，福特也表示將內(nèi)部進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，將與全球第四大代工企業(yè)格芯合作，與其直接簽訂供應(yīng)協(xié)議。
在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，2022年首次推出的新款M1 Ultra芯片采用了臺(tái)積電的扇出技術(shù)。據(jù)蘋果公司稱，M1 Ultra芯片將兩個(gè)M1 Max芯片組與1140億個(gè)晶體管、一個(gè)20核CPU和一個(gè)64核GPU結(jié)合在一起，使該芯片在消耗相同功率的同時(shí)，提供比最快的16核臺(tái)式機(jī)高90%的多線程性能，并比當(dāng)前市場(chǎng)上最快的臺(tái)式機(jī)GPU性能更高，功耗卻減少了200W。
蘋果的M1 Ultra芯片
M1 Ultra主要為臺(tái)式電腦設(shè)計(jì)，將在蘋果新的Mac Studio中使用，是目前唯一一款采用新款M1 Ultra處理器的電腦，起價(jià)3999美元。
蘋果公司表示，其最強(qiáng)大的Mac Studio定制硅利用UltraFusion芯片對(duì)芯片的連接來實(shí)現(xiàn)2.5TB/s帶寬，其中包括兩個(gè)并行工作的M1 Max SoC的通信。
蘋果公司的新M1 Ultra芯片并不是在臺(tái)積電的CoWoS-S（帶硅中介層的基板上晶圓芯片）2.5D封裝工藝上大規(guī)模生產(chǎn)的，而是帶有本地硅互連（LSI）的集成扇出（InFO）。
通常認(rèn)為，選擇InFO LSI而不是CoWoS，是因?yàn)樗呛喜⒘藘蓚€(gè)小芯片的更具成本效益的替代方案。
一路向前
事實(shí)上，先進(jìn)封裝技術(shù)要求很高，資本投入也很高，只有大廠才能玩得起。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)，領(lǐng)先大廠均已開始提供異構(gòu)集成的先進(jìn)封裝工藝服務(wù)，通過綁定先進(jìn)工藝到先進(jìn)封裝的一條龍服務(wù)，為頂級(jí)客戶定制最優(yōu)化的產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車HPC（高性能計(jì)算）和高檔智能手機(jī)的芯片制造。
隨著時(shí)間的推移，由于摩爾定律發(fā)展至今已遇到瓶頸，芯片尺寸已接近物理極限，作為延續(xù)摩爾定律的一條重要途徑，先進(jìn)封裝技術(shù)將為摩爾定律“續(xù)命”。
