2月初，國內光刻機巨頭上海微電子舉行國內首臺2.5D/3D先進封裝光刻機交付儀式，旋即也被美列入實體清單。目前上海微電子的最高工藝技術水平是90nm，主流產品是后端封測光刻機。而在“前道、后道和面板”三類光刻機中，最被卡脖子的是前道。
如果將芯片制造比作食品生產，前道是“食品”，后道是包裝，面板制造是“調味品”。如果沒有“食品”，其他價值為“0”。所以后道、面板的價值要通過性能優良的前道芯片來體現。
“就算給圖紙，也造不出光刻機”；“就算舉全國之力發展半導體制造，也很難取得成功。”ASML高管和臺積電創始人張忠謀不止一次公開表示。目前看，前道工藝的突破幾乎沒有可能。
通羅馬的路不只一條
要做一件事，千萬別為自己設限，循規蹈矩來做，可以想很多種辦法，來達至成功。
就算是臺積電，也沒有一條道走到黑。自2015年，臺積電開始采用自研的InFO FOWLP封裝技術，在沿用16nm邏輯工藝前提下包攬了蘋果A10處理器的所有代工訂單，實現了40%的性能提升，延長了iPhone待機時間。
這標志著基于硅中介層的3D先進封裝技術逐漸走向半導體制造前沿，此后代工廠、ODM甚至基板廠商等產業鏈玩家都紛紛加入這條延續摩爾定律的賽道，無論是3D結構設計、新材料、制造工藝和高帶寬海量數據應用，先進封裝都為半導體研究與發展打開了一扇大門。
不可否認，國內在2.5D/3D先進封裝技術方面仍比較滯后，如何有效提高我國封裝技術水平，推動產業化應用，把握新基建等重點應用的歷史機遇？如何更有效地組織產業合作？如何進一步降低先進封裝成本，擴大市場份額？來看看制造裝備、封裝設計、測試分析和行業應用的頭部企業如何評說。
延續摩爾先進封裝當仁不讓
過去十年，國內封裝技術飛速發展，包括工藝、裝備、材料分析和設計能力都在提升，EDA工具的開發和應用也有很大進展。但從國際最先進封裝技術發展來看，在延續摩爾定律特別是芯片級封裝技術方面，目前國際上主要以臺積電、英特爾、三星為代表，許多先進封裝技術都是這些國際巨頭命名的，證明延續摩爾定律先進封裝技術非常重要，也說明我國封裝技術水平還存在較大差距。
不過，如果說一直是我國半導體產業落后環節的晶圓制造很難趕上，而封裝技術卻是大陸半導體行業與全球頂尖技術之間差距最小的環節。因為高密度先進封裝技術的進展主要體現在互連技術的演變，即由點到面，再到3D堆疊，密度越來越高。
高密度先進封裝技術進展
當然，在國際主流晶圓廠入局先進封裝后，封裝技術的差距也有進一步拉大的趨勢。在此情形下，本土晶圓廠和封測廠如何追趕先進封裝工藝，已成為半導體行業的當務之急。
如何改變先進封裝滯后局面？
上面說過，2.5D、3D臺積電引領，還有英特爾和三星；國內封測廠商長電科技、華天科技和通富微電排在后面，已有相應的技術積累。很多人覺得，這樣已經很好了，國家不用再投入資金研發，但實際上最前端技術還有很大差距。從先進制造走向先進封裝，需要很強悍的制造能力，特別是在0.25μm線寬，像TSV（硅通孔）和RDL（再布線）是封裝廠難以企及的，還有有源芯片TSV的實現、高性能CPU做中介層、Chiplet方案都在開發和推動，國內也都相對滯后。
當前，由于具靈活、高密度、適于系統集成，2.5D/3D TSV以及FO（扇出）封裝已成為先進封裝的核心技術。TSV通孔及UBM（凸點下金屬層）/RDL等制程工藝在晶圓級封裝中已廣泛使用。
圖源 | Nikkei Asian Review
具體到高端部分，尤其要考慮未來技術的趨勢。首先，晶圓級封裝裝備方面的國際差距相對較小，在早期02專項支持下，本土裝備有非常好的基礎，將2.5D、3D TSV技術用到了前道工藝，前道和中道工藝也在不斷融合。當然，尺寸越來越小，甚至到亞微米，深寬比也越來越高，確實面臨一些挑戰。
制造裝備首先要從全球視野出發，對新技術有敏感性和前瞻性，看到跟國際的差距，雖然前道工藝有基礎，但封裝有其特殊性，比如不同晶圓襯底的把控、有機物的處理，需要在前道基礎上很快整合現有技術，很快響應客戶需求。至于產業化，需要上下游一起緊密配合，才能推到量產。
在設計思路方面，可以借鑒很有特色的封裝結構，比如一般做2.5D是硅基板，現在有一些廠商在有源2.5D中嵌入一些常規模塊，再和芯片集成，有點像純3D，又不太一樣，是在硅基板中嵌入常規模塊的有源硅基板。一些EDA工具可以實現各種設計思路。封裝級重構是從傳統封裝到先進封裝或SiP，變化非常大，在封裝級別組合多個芯片形成一個SiP，其定義非常靈活，可以做各種各樣的事情。
臺積電、英特爾能做的東西覆蓋不是很廣，目前主要做的是高密度互連處理器，國內還有更多芯片可以集成為系統。至于功能密度，是在一個體積內集成更多的功能單元，比如14nm結合先進封裝技術就能媲美7nm工藝的產品，這是從整個系統封裝產品來定義的。所雖然國內在最頂端工藝上不如頂級廠商，但通過封裝級別的靈活設計，最終產品性能并不會比他們差。
從產值來講，臺積電在代工方面引領市場，但在技術方面美國還是領先。1958年，晶體管發明人William Shockley在其專利中就提到過TSV的制備方法。上世紀90年代末，香港應用技術研究院才提出這種方法，臺積電在1998年申請了相關美國專利，關于TSV技術的最早論文發表于2000年。之后英特爾、IBM都做了很多研究，特別是在Chiplet、芯片異構集成封裝技術等方面。現在中國面臨的問題是怎么解決技術和市場滯后的問題，目前在整個封裝市場中國大陸占21%左右，但先進封裝還不到6%，所以落后顯而易見。
2020年按地理區域劃分封測廠商收入
而要解決這個問題，第一要重視人才，要有一流的科學家，所以需要大學、研究所和企業合作，取長補短。現在國內一些研究機構的技術已不輸國外，如分析測試、材料分析、可靠性分析。另外像長電科技與中芯國際的合作，形成了制造前后段合作伙伴關系，而這些企業，包括北方華創又是勝科納米的客戶，可以有效支持量產計劃。第二要認識差距，不能有一些成績就說趕上了國外，客戶市場和需求很重要，搞3D封裝一定要有先進晶圓制造做基礎，然后封裝跟上，才能挑戰摩爾定律，所以要強強聯合，加強合作。
產業合作需要更進一步
國內02專項還有封測聯盟對封裝行業發展起到了一定推動作用，國家科學技術獎封測龍頭榜上有名，也是十年來幾家緊密合作的結果。未來產業合作的效率還要進一步提高。特別是裝備企業應該和一些有很多資源的高校、研究所合作，吸引非常著名或非常有研究水平的科研機構為我所用，將研究成果導入產業；另外，EDA工具也需要與產業合作，進一步快速應用在封測領域。另外，在這一過程中，一定要有大型產品企業來推動事情的發生。
目前在產業合作方面大家互動比較多，但主要是出于自己的需求或看到市場機會，比如裝備企業希望往下游走，需要做一些驗證，會主動找一些上下游合作伙伴；又如材料類，光刻膠企業也會用光刻機做一些工藝，驗證后道流片材料的特性。未來，希望有產業鏈平臺組織產業界更多的討論，從應用需求出發研討一些要攻克的題目，將相關上下游合作伙伴拉進來，設定一個目標和環節，逐步推進要。
產業合作首先是滿足工藝要求，但設計需求和思路是由Fabless（設計公司）設計的，首先要有需求，還要有EDA工具，然后才是制造廠對技術的支撐，所以產業合作應該包括晶圓廠、封測和系統廠商。在SiP先進封裝中很重要一點是系統廠商，比如蘋果，它有這樣的需求，要做這樣一個產品，才去找這些有工藝能力的廠商幫它生產。EDA也是為了支持用戶的想法和需求，利用EDA設計形成的生產文件、光罩或先進封裝圖形，滿足Fabless的設計想法，再由晶圓廠、封測廠去實現。
有效加強聯合特別重要，尤其是3D封裝必須要以先進的晶圓制造為基礎，加上設備商提供的設備，先進制造、晶圓制造和封裝結合起來，中芯國際和長電的聯合做了表率。新加坡是除了中國臺灣和韓國以外的另一個重鎮。勝科納米新加坡實驗室一直為一些國際半導體巨頭（高通、博通、英飛凌等），還有應用材料公司做配套服務，積累了相當豐富的技術經驗，可以首先拿到最先進的樣品，支持先進封裝、材料分析、失效分析和可靠性分析。
以前一說卡脖子就是光刻機，實際上卡脖子的東西還很多，像分析測試儀器，假如有一天國外不賣了，不給材料、配件，沒有國產儀器跟它匹敵，也會很難。因此，必須認識到差距，團結合作，補齊我們的短板。
把握應用方面的歷史機遇
5G作為新基建的重要方向，為先進封裝帶來了歷史機遇。雖然我國在芯片設計、制造、封裝、模塊很多領域還比較落后，如果我們跟臺積電PK CoWoS的線寬是沒有任何優勢的。臺積電去年發布的先進CoWoS封裝技術路線圖顯示，2023年將結合Chiplet與HBM3推出第5代CoWoS封裝技術，有望將晶體管數量翻至第3代封裝解決方案的20倍。
臺積電先進CoWoS封裝技術路線圖
但5G應用并不像計算邏輯封裝技術CoWoS需要高精尖的線寬。特別是在射頻領域，采用新材料、新工藝、新結構是有很多機會的。因為5G射頻器件恰恰需要封裝集成、協同設計、工藝研發、工程驗證和量產服務等方面的合作優勢。
針對5G射頻濾波器先進封裝，裝備企業不能閉門造車，要和下游企業綁定在一起，尤其是和細分領域走在前沿的下游企業緊密合作，一起做聯合裝備、工藝研發。另外也要研究行業，提前做一些技術儲備。目前，在5G方面北方華創不僅提供封裝設備，芯片制程方面也有全面的裝備和工藝布局，包括BAW和SAW濾波器、射頻芯片和化合物芯片。
國產EDA目前是從點工具開始做，在某些射頻頻段都是點布局，目前還能很難形成全流程。5G的頻仿真并不需要做整個系統，只在某些局部區域進行仿真分析，以得到最佳結果，所以對國產EDA來說是一個機會。比如芯和半導體的EDA從芯片、封裝到系統仿真全覆蓋，其IPD（集成無源器件）濾波器產品累計出貨量已超10億顆。又如合見工軟的EDA工具能夠在不需要整個流程的前提下在某些點具有一定優勢。
關于非常復雜的5G模塊化測試分析問題，現在人工智能與5G高性能計算同步發展，呈現出兩高三低：高性能、高帶寬、低延時、低功耗、低成本。講到歷史機遇，現實是，臺積電發布的2021年第四季度財報顯示，其7nm及以下制程貢獻營收達到一半。2021年全年，臺積電7nm以上制程占比繼續減小，而7nm營收占比上漲2%，5nm占比提升最大，2021年底達到19%，3nm已接近量產，2nm明年開始。
要應對摩爾定律的挑戰，國內需要利用先進封裝加快趕上。作為失效分析和可靠性分析支持以及輔助研發提供商，勝科納米希望與行業配合，讓客戶體驗到Labless的成本優勢，用上最新的技術、最好的專家、最好的分析設備和服務。
寫在最后
關鍵賽道的機會
國內半導體行業已經將先進封裝放到非常重要的位置，因為先進封裝已成為超越摩爾定律的關鍵賽道，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，國際頭部企業也是如此。但是，先進封裝道路并非一帆風順，認識到差距，不怕有差距，才能不斷追趕。
先進封裝可能是下一次芯片產業洗牌的開端，蘊含著對中國自主高端芯片的機會。未來驅動芯片行業持續發展的是EDA工具軟件，特別是聚焦型軟件；2.5D、3D先進封裝技術同樣也有挑戰，而把握不同功能、不同尺寸、不同工藝、不同襯底的靈活封裝可能是實現應用的關鍵；同時也要利用失效分析來提升半導體先進封裝的良率，實現降本增效。
