《電子技術(shù)應(yīng)用》
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巨頭們決戰(zhàn)先進(jìn)封裝

2021-11-28
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: 封裝

  1965年英特爾創(chuàng)辦人之一,戈登摩爾,在「電子」雜志發(fā)表的文章中,預(yù)言半導(dǎo)體芯片整合的晶體管數(shù)量,每年將增加一倍。

  1975年摩爾在IEEE大會發(fā)表一篇論文,根據(jù)當(dāng)時的情況,將之前的預(yù)測,由每年增加一倍,修正為每兩年增加一倍,這就是半導(dǎo)體業(yè)界著名的「摩爾定律」。

  56年來,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)依循「摩爾定律」,性能以幾何級數(shù)般的快速發(fā)展,造就今日突飛猛進(jìn)的高科技。

  目前半導(dǎo)體制程已經(jīng)推進(jìn)到5納米、3納米,離「物理極限」愈來愈近,「摩爾定律」的發(fā)展進(jìn)程,恐離「盡頭」不遠(yuǎn)。

  為了增加半導(dǎo)體的性能,在制程技術(shù)尚未推進(jìn)到一新節(jié)點時,透過先進(jìn)封裝技術(shù),將數(shù)種不同制程的「小芯片」(Chiplet),「異質(zhì)整合」在一起,提升芯片的效能,并且可降低成本。

  不同用途的半導(dǎo)體元件,能夠使用的最先進(jìn)半導(dǎo)體制程不盡相同。舉例而言,存儲器目前最先進(jìn)制程為13納米左右,而邏輯制程已推進(jìn)到5納米。

  類比元件往往無法在制程推進(jìn)時,享受元件面積縮小的好處。例如5G、汽車電子等,的類比元件,占據(jù)的面積,幾乎無法受益于制程微縮的好處。65納米是這類元件的最佳節(jié)點,再小的制程節(jié)點,也無法減少元件的面積。

  因此在SOC(系統(tǒng)單芯片)中,勉強(qiáng)將不同性能的元件整合在一起,不僅技術(shù)復(fù)雜,良率降低,而且無法妥善利用芯片的空間及效能。

  為了增加新性能,將新功能的模塊勉強(qiáng)整合到系統(tǒng)芯片,不僅將增加芯片的面積,而且會降低良率,這對先進(jìn)制程而言,成本將不符經(jīng)濟(jì)原則。

  在整合型的SOC中,某些模塊并不需要最先進(jìn)的制程,因此將不同性能的模塊制成「小芯片」,然后透過先進(jìn)的封裝技術(shù)將「小芯片」整合成系統(tǒng)芯片。

  「封裝」是把「裸晶粒」(Die) 裝配為芯片最終產(chǎn)品的過程。簡單地說,就是把晶圓廠廠生產(chǎn)出來的集成電路裸晶粒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(hù)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。

  先進(jìn)封裝技術(shù)在將「小芯片」整合成系統(tǒng)芯片中,扮演重要的角色。

  有別于傳統(tǒng)的IC封裝,晶圓級封裝(Wafer Level Package)、直通硅穿孔(Through Silicon Via,TSV)封裝技術(shù)、2.5D 硅中介板 (Silicon Interposer)封裝技術(shù)、3D封裝等技術(shù)不斷演進(jìn),為堆棧多個異質(zhì)芯片,縮短電路通道,提高通道流量、降低延遲等,提供有效的解決方案。

  臺積電很早就開始布局先進(jìn)封裝,以提供客戶最佳的芯片解決方案。

  2012年,臺積電就開始利用CoWoS (Chip on Wafer on Substrate)先進(jìn)2.5D封裝技術(shù),為客戶生產(chǎn)FPGA。

  2014年臺積電與海思合作推出全球第一個使用CoWoS封裝技術(shù),將3個16納米芯片整合在一起,具網(wǎng)絡(luò)功能的單芯片。

  除了CoWoS外,臺積電InFO(整合扇出)先進(jìn)封裝,為臺積電立下「汗馬功勞」,臺積電用InFO先進(jìn)封裝技術(shù)為蘋果公司封裝iPhone的A系列處理器,不僅縮小芯片大小,而且提升性能,讓蘋果公司將A系列處理器交給臺積電獨(dú)家代工。

  2020年8月臺積電提出3DFabric 先進(jìn)封裝平臺,前段技術(shù)為SoIC (整合芯片系統(tǒng)),后段組裝測試相關(guān)技術(shù)包含InFO以及CoWoS系列,可以讓客戶自由選配。

  在產(chǎn)品設(shè)計方面,3D Fabric提供了最大的彈性,可以整合邏輯小芯片、高頻寬存儲器(HBM)、特殊制程芯片等,可以全方位實現(xiàn)各種創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計。

  臺積電擁有多個專屬的后端晶圓廠,這些晶圓廠可以組裝和測試包括3D堆棧芯片在內(nèi)的硅芯片,并將其加工成封裝后的裝置。

  為了加快布局小芯片先進(jìn)封裝技術(shù),目前臺積電正積極打造創(chuàng)新的3D Fabric先進(jìn)封測制造基地,到時候廠房將會具備先進(jìn)測試、SoIC和2.5D先進(jìn)封裝的產(chǎn)線,預(yù)計明年可陸續(xù)完工上線。

  臺積電的先進(jìn)封裝技術(shù)目前領(lǐng)先全球,英特爾及三星電子緊追其后。

  英特爾于2017年推出嵌入式多芯片互相橋接(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,EMIB),2.5D 先進(jìn)封裝。

  2018年12月英特爾發(fā)表Foveros 3D堆棧先進(jìn)封裝,2021年7月發(fā)表 Foveros Omni及Foveros Direct 先進(jìn)3D封裝技術(shù)。Foveros Omni預(yù)計于2023年量產(chǎn),F(xiàn)overos Direct為Foveros Omni的補(bǔ)充技術(shù),量產(chǎn)時間也落在2023年。

  英特爾的先進(jìn)封裝技術(shù)與臺積電的差距不大,在伯仲之間。

  三星電子在先進(jìn)封裝技術(shù)落在臺積電、英特爾之后。2018年三星電子推出2.5D先進(jìn)封裝技術(shù)I-Cube2,并于今年5月量產(chǎn)新一代先進(jìn)封裝技術(shù)I-Cube4。

  2020年年底,三星電子發(fā)表3D先進(jìn)封裝技術(shù)X-Cube,可用于7納米、5納米先進(jìn)制程產(chǎn)品。

  全球制程技術(shù)最先進(jìn)的三家公司,不約而同地投入先進(jìn)封裝的技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用,足見先進(jìn)封裝是增強(qiáng)、延續(xù)半導(dǎo)體性能前進(jìn)的重要技術(shù)。

  先進(jìn)封裝市場近年來將顯著成長,預(yù)估到2025年全球先進(jìn)封裝的產(chǎn)值,將可達(dá)約420億美元,市場潛力不容小覷。




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