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    光刻機之外,先進封裝技術從未如此重要

    作者:  時間:2021-09-23 14:12  來源:

    封裝技術從未如此重要過。在今年,先進封裝技術已成為了各大晶圓廠、封測廠商甚至一些Fabless的重點投入領域。

    9月,聯電與封測廠商頎邦相互交換股權;在8月的Hot Chips行業熱點大會上,臺積電副總經理余振華公布了CoWoS(Chipon Wafer on Substrate)封裝技術的路線圖,以及先進熱處理和COUPE異構集成技術;7月,英特爾公布了未來制程工藝和封裝技術路線圖,將繼續推動Foveros 3D堆疊封裝技術與EMIB(嵌入式多管芯互連橋)封裝技術的應用;封測龍頭日月光則在6月宣布將投入20億美元用于提高其晶圓封裝業務。

    半導體產業鏈上下游廠商已把封裝技術提到更加重要的位置,其原因就是先進封裝實際上已成為超越摩爾定律的關鍵賽道。摩爾定律,戈登·摩爾根據自己的經驗在半導體領域做的一個預言:“在最小成本的前提下,集成電路所含有的元件數量大約每年便能增加一倍。(The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year)

    摩爾定律作為半導體迅猛發展的重要推動力,從誕生開始就遭到人們的質疑——是不是再過多少年摩爾定律就要失效了?為此有人還打趣道:“預測摩爾定律要死掉的人數,每兩年翻一番?!?/p>

    戈登·摩爾

    如今據摩爾定律的提出已過去了56年,要想在拇指大小的芯片上做出更多的晶體管與更小的制程,變得越來越困難。維持摩爾定律變得越來越困難的原因在于人類遇到了兩個難題:一個是成本問題,全球有足夠實力嘗試7nm及以下制程的芯片制造商也只有臺積電、三星、英特爾三家,因為僅僅制造一座先進制程的晶圓廠就需數百億美元,這還不算日后運營維護和技術研發。

    第二個則是技術上的難題,隨著芯片尺寸的微縮,短道溝效應導致的漏電、發熱和功耗嚴重問題一直困擾著芯片制程的繼續微縮。當材料逼近1nm的物理極限時,量子隧穿效應導致有一定的電子可以跨過勢壘,從而漏電,這個問題對于人類來說暫時是無解的,因為物理理論還沒有搞清楚這個現象?;艚饛奈锢斫嵌壬蠈ζ渥鲞^一個總結,光的有限速度和材料的原子特性。

    雖然摩爾定律到現在仍在艱難維持,但產業界也確實意識到了制程不會無限縮小下去,晶體管也不可能無限增加下去,可要知道的是,摩爾定律首先是一條經濟上的定律,然后才是工程科學方面的定律。因為降低特征尺寸能降低芯片制造的整體成本,所以業界才會不斷追逐摩爾定律,其背后的邏輯是:半導體行業需要以一個合適的速度增長來降低成本提高利潤。

    這個時候More than Moore(MTM,超越摩爾定律)——摩爾定律之上的成長動能也因此被廣泛提出,產業界試圖從更多的途徑來維護摩爾定律的發展趨勢,而先進封裝技術已成為超越摩爾定律的關鍵賽道。

    國內封測技術專家于大全曾表示,無論是延續摩爾定律,還是超越摩爾定律,都離不開先進封裝技術,“先進封裝將是撬動半導體產業繼續向前的重要杠桿?!毕冗M封裝到底是什么呢?為何它能作為為摩爾定律續命的關鍵技術出現?

    封裝(Package),是把集成電路裝配為芯片最終產品的過程,簡單地說,就是把鑄造廠生產出來的集成電路裸片(Die)放在一塊起到承載作用的基板上,把管腳引出來,然后固定包裝成為一個整體。它主要要三個作用:通過特殊材料保護脆弱的芯片、將芯片電子功能部分與外界互連以及物理尺度兼容。

    近年來,先進封裝市場也確實在迅速發展。據知名分析機構Yole Developpement的預測,先進封裝市場預計將在2019-2025年間以6.6%的復合年增長率增長,到2025年將達到420億美元,遠高于對傳統封裝市場的預期。

    來源:Yole Developpement

    先進封裝其實是相對傳統封裝而言的。在業界,先進封裝技術與傳統封裝技術通常以是否焊線來區分。傳統的封裝技術通常指先將晶圓切割成單個芯片,再進行封裝的工藝形式,其包括雙排直立式封裝DIP與球格陣列封裝BGA,需要焊接線路。先進封裝則包括倒裝(FlipChip)、凸塊(Bumping)、晶圓級封裝(Waferlevelpackage)、2.5D封裝(interposer,RDL等)、3D封裝(TSV)等封裝技術,其技術并不需要用到線路焊接的方式。

    拋開這些復雜的封裝術語,產業界將先進封裝技術提升到與制程微縮同等重要的原因,在于它能進一步提高芯片的集成度并且降低芯片制造的成本,并且,與繼續追逐先進制程不同,它暫時還不涉及到去突破量子隧穿效應等物理極限問題,沒有了這些難啃的硬骨頭,先進封裝技術看起來有良好的發展前景。

    那么先進封裝具體是通過怎樣的技術原理來實現超越摩爾的呢?這就不得不chiplet技術的發明,chiplet也被稱為小芯片,它是系統級芯片(SoC)中IP模塊的芯片化,通過chiplet技術可以提高良率和降低成本,同時提高設計的靈活度,縮短設計周期。

    簡單來說,可以把chiplet技術想象成為一塊樂高積木,多個chiplet模塊可以拼接成一個系統級芯片(SoC),而在過去,一個系統級芯片(SoC)是不能再次切割的。這樣做的好處在于,一塊完整的晶圓可以被分成更多的chiplet,這意味著同樣良率情況下更低的成本消耗,例如在一片晶圓切割封裝時出現了一個點的損傷部位,直接做成一個系統級芯片(SoC)能切成10塊,假如做成chiplet是100塊,那么這塊晶圓做成系統級芯片(SoC)的良品率為90%,而做成chiplet的良品率可以達到99%。

    chiplet技術也為異質異構的芯片制造提供了可能,這種模塊化的小芯片可以實現不同架構、不同材質、不同工藝節點甚至不同代工廠生產的產品集成到一塊芯片上,由此快速產生出一個適應不同功能需求的超級芯片。

    除了chiplet技術以外,3D晶圓級封裝也是近年來產業界先進封裝技術的發展方向。3D晶圓級封裝是指在不改變封裝體尺寸的前提下,在同一個封裝體內于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術,相較于傳統的2D電路的平面集成方式,它的集成度要更高,同等空間內可以集成更多芯片。當3D晶圓級封裝與chiplet技術相結合,還可以實現不同IP之間的3D堆疊,從而大大降低了封裝成本以及能耗。

    如今,臺積電、英特爾、AMD、日月光等主要芯片設計、制造、封裝廠商都逐漸在其產品中應用到了上述先進封裝技術,國內封裝龍頭長電科技也在今年7月推出了XDFOI高密度扇出型封裝技術,先進封裝所扮演的角色無疑是愈加重要了。

    對國內的芯片企業而言,先進封裝或許是現下適合長期投入的優質賽道,畢竟短期內國內企業還無法通過自研或是進口來獲取EUV光刻機。雖然,現在我們處于光刻來驅動尺寸微縮的時代,但未來驅動芯片行業繼續往前走的可能是設計與工藝協同優化,以及系統與工藝協同優化的階段。那么,先進封裝或是下一次芯片產業洗牌的開端,中國的自主高端芯片的機會也必蘊含其中。

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