?先進(jìn)封裝，兵家必爭(zhēng)之地

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的歷史長(zhǎng)河中，戈登·摩爾是一個(gè)不可或缺的名字。去年 3 月，戈登·摩爾逝世于夏威夷的家中，享耆壽 94 歲。由他提出的摩爾定律在引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展近 60 年后，也逐漸走向極限。

摩爾定律預(yù)測(cè)，集成電路上的晶體管數(shù)量每隔約 18 個(gè)月就會(huì)翻倍，與此同時(shí)，芯片的性能也會(huì)持續(xù)提升。然而，隨著芯片尺寸的不斷縮小，業(yè)界開(kāi)始面臨前所未有的挑戰(zhàn)。有聲音開(kāi)始質(zhì)疑，「摩爾定律是否已經(jīng)走到盡頭？」

總有人相信，摩爾定律未死。業(yè)界巨頭如臺(tái)積電、英特爾和三星等公司并未放棄，持續(xù)投入大量資金、人力和資源，希望在這場(chǎng)納米尺度的芯片戰(zhàn)爭(zhēng)中取得勝利。

在這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)中，有人不斷研發(fā)新的晶體管架構(gòu)，GAAFET 和 CFET 紛紛出現(xiàn)。與此同時(shí)，有人大手筆引入 EUV 光刻機(jī)，大包大攬就希望能夠快人一步。還有人，在積極探索新興的半導(dǎo)體材料，如過(guò)渡金屬二硫族化合物和納米碳管，希望從材料方面獲得更多啟示。

在推摩爾定律的路上，總是充滿荊棘。隨著資金的投入和工藝制程的復(fù)雜，很多人意識(shí)到，只是單純依靠縮小晶體管來(lái)提高芯片性能，已經(jīng)走到了困境。有人提出：如何在不縮小晶體管的情況下，提升芯片整體性能？關(guān)鍵技術(shù)在于先進(jìn)封裝。

先進(jìn)封裝，如同一座金礦，引得各路英雄競(jìng)折腰。

先進(jìn)封裝發(fā)展到哪里了？

現(xiàn)階段先進(jìn)封裝主要是指倒裝焊（Flip Chip）、 晶圓級(jí)封裝（WLP）、2.5D 封裝（Interposer）、3D 封裝（TSV）等。

咨詢(xún)公司 YoleIntelligence 稱(chēng)，未來(lái)，全球先進(jìn)芯片封裝市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2022 年的 443 億美元增長(zhǎng)到 2027 年的 660 億美元。在 660 億美元中，3D 封裝預(yù)計(jì)將占四分之一左右，即 150 億美元。

全球前十的封測(cè)廠商中，分別是中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的日月光控股、力成科技、京元電子、欣邦、南茂，中國(guó)大陸地區(qū)是長(zhǎng)電科技、通富微電子、華天科技、智路封測(cè)，美國(guó)是安靠。

日月光長(zhǎng)期坐穩(wěn)封測(cè)第一的寶座，市占率達(dá)到 27.6%。日月光正在從自身的封裝技術(shù)出發(fā)，開(kāi)始發(fā)展出 2.5D 及 3D 先進(jìn)封裝技術(shù)。力成科技最近表示，已與華邦電子簽訂合作開(kāi)發(fā) 2.5D（Chip on Wafer on Substrate）/3D 先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)之合作意向書(shū)，決定共同攜手進(jìn)軍先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)。

國(guó)內(nèi)封測(cè) Top 3，長(zhǎng)電科技、通富微電和華天科技也在發(fā)力先進(jìn)封裝。目前長(zhǎng)電科技已經(jīng)覆蓋 SiP、WL-CSP、2.5D、3D 等，同時(shí) XDFOI Chiplet 高密度多維異構(gòu)集成系列工藝已按計(jì)劃進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段。通富微電擁有多樣化 Chiplet 封裝解決方案，已具備 7nm、5nm、Chiplet 等先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。華天科技同樣已經(jīng)具備 5nm 芯片的封裝技術(shù)，Chiplet 封裝技術(shù)也已量產(chǎn)。

除去封測(cè)廠商外，臺(tái)積電、三星、英特爾都希望先進(jìn)封裝能夠成為自己手中的尖刀。

臺(tái)積電為先進(jìn)封裝準(zhǔn)備已久。在張忠謀于 2011 年重返公司之后，就下定決心要做先進(jìn)封裝。不過(guò)由于是半路出家，臺(tái)積電先進(jìn)封裝做得不算順利。在當(dāng)初引起關(guān)注的「扇出型晶圓級(jí)封裝」中，英特爾、三星分列專(zhuān)利數(shù)第二、三位，臺(tái)積電甚至沒(méi)進(jìn)前十。

不過(guò)，臺(tái)積電小試牛刀推出了 CoWoS 技術(shù)。CoWoS 由 CoW 和 oS 組合而來(lái)：CoW 表示 Chip on Wafer，指裸片在晶圓上被拼裝的過(guò)程，oS 表示 on Substrate，指在基板上被封裝的過(guò)程。理論上，CoWoS 可以讓處理器減掉多達(dá) 70% 的厚度。

這個(gè)技術(shù)首先在 Xilinx 的 FPGA 上做了實(shí)現(xiàn)，而基于此衍生的 InFO 封裝則在蘋(píng)果處理器上大放異彩，并從此讓臺(tái)積電的封裝名揚(yáng)天下。

蒼天不負(fù)有心人，自 AI 浪潮的開(kāi)始，高性能計(jì)算和人工智能市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)了 AMD、英偉達(dá)都在爭(zhēng)搶臺(tái)積電先進(jìn)封裝產(chǎn)能，尤其是 CoWoS 產(chǎn)能。到了現(xiàn)在，臺(tái)積電的先進(jìn)封裝技術(shù)包括了 TSMC-SoIC、CoWoS 和 InFO。

三星同樣將先進(jìn)封裝看作延續(xù)摩爾定律的鑰匙。三星半導(dǎo)體的先進(jìn)封裝（AVP）技術(shù)包括：I-Cube、X-Cube。

I-Cube 是一種 2.5D 封裝技術(shù)，通過(guò)將單個(gè)邏輯芯片層和多個(gè)堆疊式存儲(chǔ)器芯片層水平并排放置并集成，實(shí)現(xiàn)出色的速度和散熱性能。I-Cube 采用三星的硅通孔（TSV）和后道工序（BEOL）技術(shù)，讓多個(gè)芯片各自的專(zhuān)門(mén)功能和諧并存，從而提高效率。根據(jù)所用中介層的不同類(lèi)型，I-Cube 可細(xì)分為 I-CubeS 和 I-CubeE。

X-Cube 是一種 3D 封裝技術(shù)。這種 3D 封裝技術(shù)通過(guò)垂直堆疊組件來(lái)提高性能，與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比，可縮短互連線長(zhǎng)度，并節(jié)省大量片上空間。X-Cube 技術(shù)能夠兼顧高性能與低成本、高帶寬與低功耗。

英特爾在先進(jìn)封裝方面也研究了好幾種方式，部分已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，比如 EMIB、Foveros，部分已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，比如 Foveros Omni、Foveros Direct。

EMIB 意思是「嵌入式多芯片互連橋接」，原理就像蓋四合院，把不同的芯片放在同一塊平面上相互連接。傳統(tǒng)的 2.5D 封裝是在芯片和基板間的硅中介層上進(jìn)行布線，EMIB 則是通過(guò)一個(gè)嵌入基板內(nèi)部的單獨(dú)的芯片完成互連，可將芯片互連的凸點(diǎn)間距縮小到 45 微米，改善設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，并降低成本。

Foveros 是 3D 封裝技術(shù)，原理上也不復(fù)雜，就是在垂直層面上，一層一層地堆疊獨(dú)立的模塊，類(lèi)似建摩天大樓一樣。就像大廈需要貫通的管道用于供電供水，F(xiàn)overos 通過(guò)復(fù)雜的 TSV 硅穿孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直層面的互連。

先進(jìn)封裝，紛紛擴(kuò)產(chǎn)

由于芯片短缺和地緣政治緊張局勢(shì)，先進(jìn)封裝變得更加重要。2022 年先進(jìn)封裝市場(chǎng)約占整個(gè)集成電路封裝市場(chǎng)的 48%，而且市場(chǎng)份額還在穩(wěn)步提升。封裝這條路，從傳統(tǒng)封裝走向先進(jìn)封裝，從舊技術(shù)走向新技術(shù)，這本應(yīng)該是順滑過(guò)渡，但 2023 年 AI 訂單需求的增加，對(duì)于先進(jìn)封裝的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有產(chǎn)能。

在 AI 的浪潮之下，先進(jìn)封裝領(lǐng)域需求正在呈現(xiàn)水漲船高的局面。這就帶來(lái)了先進(jìn)封裝的產(chǎn)能告急。英偉達(dá)等 HPC 客戶(hù)訂單旺盛，客戶(hù)要求臺(tái)積電擴(kuò)充 CoWoS 產(chǎn)能，導(dǎo)致臺(tái)積電先進(jìn)封裝 CoWoS 產(chǎn)能吃緊，缺口高達(dá)一至二成。

面對(duì)產(chǎn)能吃緊，不少企業(yè)紛紛宣布擴(kuò)產(chǎn)。

首先來(lái)看臺(tái)積電。在先進(jìn)封裝產(chǎn)能供不應(yīng)求的情況下，臺(tái)積電去年 8 月宣布斥資 900 億元新臺(tái)幣（約合人民幣 206 億元），在竹科轄下銅鑼科學(xué)園區(qū)設(shè)立生產(chǎn)先進(jìn)封裝的晶圓廠，預(yù)計(jì)創(chuàng)造約 1500 個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。

臺(tái)積電總裁魏哲家之前曾在法說(shuō)會(huì)提到，臺(tái)積電已積極擴(kuò)充 CoWoS 先進(jìn)封裝產(chǎn)能，希望 2024 年下半年后可舒緩產(chǎn)能吃緊壓力。據(jù)了解，臺(tái)積電已在竹科、中科、南科、龍?zhí)兜鹊財(cái)D出廠房空間增充 CoWoS 產(chǎn)能，竹南封測(cè)廠亦將同步建置 CoWoS 及 TSMC SoIC 等先進(jìn)封裝生產(chǎn)線。

在今年，臺(tái)積電的產(chǎn)能將比原定倍增目標(biāo)再增加約 20%，達(dá) 3.5 萬(wàn)片——換言之，臺(tái)積電 2024 年 CoWoS 月產(chǎn)能將同比增長(zhǎng) 120%。為了應(yīng)對(duì)溢出的先進(jìn)封裝產(chǎn)能，臺(tái)積電還委外給日月光承接相關(guān)訂單，推升日月光高端封裝產(chǎn)能利用率激增。

再來(lái)看英特爾。英特爾選擇在馬來(lái)西亞擴(kuò)張自己的先進(jìn)封裝。英特爾副總裁兼亞太區(qū)總經(jīng)理 Steven Long 表示，目前英特爾正在馬來(lái)西亞檳城興建最新的封裝廠，強(qiáng)化 2.5D/3D 封裝布局。這將是繼英特爾新墨西哥州及奧勒岡廠之后，首座在美國(guó)之外采用英特爾 Foveros 先進(jìn)封裝架構(gòu)的 3D 封裝廠。

英特爾表示，其規(guī)劃到 2025 年 3D Foveros 封裝的產(chǎn)能將達(dá)到當(dāng)前水平的四倍，屆時(shí)檳城新廠將會(huì)成為英特爾最大的 3D 先進(jìn)封裝據(jù)點(diǎn)。此外，英特爾還將在馬來(lái)西亞另一居林高科技園區(qū)興建另一座組裝測(cè)試廠。未來(lái)英特爾在馬來(lái)西亞的封測(cè)廠將增至六座。

作為封測(cè)龍頭的日月光也宣布擴(kuò)產(chǎn)。除了前文提到，日月光已經(jīng)接受部分臺(tái)積電的溢出產(chǎn)能外。日月光在去年 12 月底，已經(jīng)宣布大舉投資先進(jìn)封裝產(chǎn)能，其子公司將以承租同集團(tuán)臺(tái)灣福雷電子高雄楠梓廠房的方式，擴(kuò)充封裝產(chǎn)能。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2023 年里日月光在封測(cè)方面的資本支出，60% 都投向了先進(jìn)封裝。

在 2023 年的先進(jìn)封裝激烈競(jìng)爭(zhēng)中，有一個(gè)國(guó)家不得不提——美國(guó)。2023 年 11 月，美國(guó)公布了《芯片法案》的首項(xiàng)研發(fā)投資，劍指先進(jìn)封裝業(yè)。

美國(guó)將投資大約 30 億美元，專(zhuān)門(mén)用于資助美國(guó)的芯片封裝行業(yè)。這項(xiàng)投資計(jì)劃的官方名稱(chēng)為「國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃」，其資金來(lái)自《芯片法案》中專(zhuān)門(mén)用于研發(fā)的 110 億美元資金，與價(jià)值 1000 億美元的芯片制造業(yè)激勵(lì)資金池是分開(kāi)的。

美國(guó)商務(wù)部表示，美國(guó)的芯片封裝產(chǎn)能只占全球的 3%，因此美國(guó)制造的芯片往往需要運(yùn)到海外進(jìn)行封裝。砸錢(qián)買(mǎi)封裝，美國(guó)想補(bǔ)齊自己的封裝短板。

美國(guó)自家的企業(yè)安靠出來(lái)站臺(tái)。在去年 12 月，宣布斥資 20 億美元在美國(guó)亞利桑那州皮奧里亞市建造一座先進(jìn)封裝廠。蘋(píng)果也表示大力支持，官方宣布將成為半導(dǎo)體封裝大廠 Amkor（安靠）位于美國(guó)亞利桑那州 Peoria 新封測(cè)廠第一個(gè)，也是最大客戶(hù)。

先進(jìn)封裝，只是開(kāi)始

在國(guó)內(nèi)封測(cè)龍頭長(zhǎng)電科技的全球供應(yīng)商大會(huì)上，其 CEO 鄭力再談先進(jìn)封裝領(lǐng)域進(jìn)展，表示：「10 月份，我們和全球知名 HPC 芯片客戶(hù)見(jiàn)面并形成共識(shí)，當(dāng)下所謂的 2.5D Chiplet 先進(jìn)封裝技術(shù)，還存在很多物理性能、電性能、可靠性能方面的問(wèn)題，目前只是一個(gè)開(kāi)始，還沒(méi)有到達(dá)終點(diǎn)，也沒(méi)有到成熟定論的階段。這就給封測(cè)企業(yè)提出一個(gè)非常大的題目，至少有 5、6 種技術(shù)路徑都需要投入開(kāi)發(fā)，需要大量的資金和人力。」

根據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測(cè)，2021-2025 年，中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增速達(dá)到 29.9%，預(yù)計(jì) 2025 年中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模為 1137 億元，占中國(guó)大陸封裝市場(chǎng)的比例將達(dá)到 32.0%。隨著中國(guó)大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先進(jìn)封裝的滲透率也有望加速提高。

先進(jìn)封裝早已成為了兵家必爭(zhēng)之地。國(guó)內(nèi)和海外都在同步加大投入，預(yù)計(jì) 3-5 年后有望成為先進(jìn)封裝比較主流的技術(shù)。