先進(jìn)封裝技術(shù)：在半導(dǎo)體制造中贏得一席之地

在半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展中，摩爾定律一度被視為不可逾越的巔峰，然而隨著其優(yōu)勢(shì)逐漸達(dá)到極限，業(yè)界對(duì)于芯片性能提升的關(guān)注點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向后端生產(chǎn)，特別是封裝技術(shù)的創(chuàng)新。先進(jìn)封裝技術(shù)，作為半導(dǎo)體技術(shù)的下一個(gè)突破點(diǎn)，正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)市場(chǎng)的新一輪增長(zhǎng)。

傳統(tǒng)上，封裝工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中一直被視為后端環(huán)節(jié)，往往被低估其重要性。原因有兩點(diǎn)：首先，使用老一代設(shè)備仍然可以封裝晶片。其次，封裝大多由外包的半導(dǎo)體組裝和測(cè)試公司（OSAT）完成，這些公司主要依靠低廉的勞動(dòng)力成本而非其他差異化競(jìng)爭(zhēng)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的變化，封裝技術(shù)不再只是簡(jiǎn)單的保護(hù)芯片免受外界環(huán)境侵害的手段，而是成為提升芯片性能、滿足新興應(yīng)用需求的關(guān)鍵所在。先進(jìn)封裝技術(shù)的出現(xiàn)，正是對(duì)這一轉(zhuǎn)變的最好詮釋。

傳統(tǒng)封裝技術(shù)

線鍵技術(shù)是一種互聯(lián)技術(shù)，它利用焊球和細(xì)金屬線將印刷電路板與芯片連接起來(lái)，這種技術(shù)在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)，至今仍在使用。與封裝芯片相比，它所需空間較小，可連接相對(duì)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，但在高溫、高濕和溫度循環(huán)條件下可能會(huì)失效，而且每個(gè)鍵必須按順序形成，這就增加了復(fù)雜性，并且減慢了制造速度。數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2031年，焊線市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到160億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為2.9%。

封裝技術(shù)的第一次重大演變出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期的倒裝芯片上，這種芯片使用面朝下的芯片，芯片的整個(gè)表面積都通過(guò)焊接"凸點(diǎn)"用于互連，將印刷電路板與芯片粘合在一起。這使得外形尺寸或硬件尺寸更小，信號(hào)傳輸速率更高，即信號(hào)從發(fā)射器到接收器的傳輸速度更快。倒裝芯片封裝是目前最常見(jiàn)、成本最低的技術(shù)，主要用于中央處理器、智能手機(jī)和射頻系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案。倒裝芯片可以實(shí)現(xiàn)更小的組裝，并能承受更高的溫度，但必須安裝在非常平整的表面上，而且不易更換。目前的倒裝芯片市場(chǎng)規(guī)模約為270億美元，預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.3%，到2030年將達(dá)到450億美元。

先進(jìn)封裝關(guān)鍵技術(shù)

先進(jìn)封裝技術(shù)，顧名思義，是對(duì)傳統(tǒng)封裝技術(shù)的升級(jí)與改進(jìn)。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)如線鍵合和倒裝芯片雖然在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中發(fā)揮了巨大作用，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的多樣化，其局限性也日益凸顯。線鍵合技術(shù)雖然連接靈活，但在惡劣環(huán)境下容易失效，且制造速度較慢；而倒裝芯片技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了更小的組裝尺寸和更高的信號(hào)傳輸速率，但對(duì)安裝表面的平整度要求較高，且不易更換。因此，尋找一種更加高效、可靠的封裝技術(shù)成為了行業(yè)的迫切需求。

自2000年以來(lái)，已有三種主要的先進(jìn)包裝技術(shù)投入商用，補(bǔ)充了上半個(gè)世紀(jì)盛行的兩種技術(shù)。

先進(jìn)封裝有助于滿足目前主流的新興應(yīng)用，例如5G、自動(dòng)駕駛汽車和其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這些應(yīng)用需要能夠快速處理海量數(shù)據(jù)的高性能、低功耗芯片。先進(jìn)封裝技術(shù)通過(guò)將多個(gè)芯片組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)處理，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

其次，先進(jìn)封裝技術(shù)能夠通過(guò)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)和工藝，可以減少原材料的消耗和浪費(fèi)，降低制造成本。同時(shí)，由于封裝尺寸的縮小，也可以減少印刷電路板等配套設(shè)備的使用，進(jìn)一步降低成本。并且，通過(guò)采用更加先進(jìn)的材料和工藝，可以有效防止化學(xué)污染以及光、熱和撞擊的損害，從而提高產(chǎn)品的使用壽命和穩(wěn)定性。

正是基于這些優(yōu)勢(shì)，先進(jìn)封裝技術(shù)自2000年左右推出以來(lái)，便獲得了巨大的發(fā)展勢(shì)頭。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種先進(jìn)的封裝技術(shù)，如2.5-D、3-D、扇出式和系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）封裝等。這些技術(shù)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)封裝技術(shù)的不足，還為半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。

晶圓級(jí)封裝

傳統(tǒng)封裝是先將硅晶圓"切割"成單個(gè)芯片，然后將芯片連接到印刷電路板并建立電氣連接，而晶圓級(jí)封裝則是在晶圓級(jí)進(jìn)行電氣連接和成型，然后使用激光切割芯片。就芯片配置而言，晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）與倒裝芯片的最大區(qū)別在于，WLCSP的芯片與印刷電路板之間沒(méi)有基板。相反，再分布層（RDL）取代了基板，從而縮小了封裝尺寸并增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)。

晶圓級(jí)封裝分為兩種類型：扇入式和扇出式。扇入式晶圓級(jí)封裝主要用于技術(shù)要求較低的低端手機(jī)，RDL走向晶粒中心。在2007年推出的扇出型封裝中，RDL和焊球的尺寸超過(guò)了芯片的尺寸，因此芯片可以有更多的輸入和輸出，同時(shí)保持較薄的外形3。核心封裝主要用于不需要高端技術(shù)的汽車和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如射頻和信息娛樂(lè)芯片，在近15億美元的扇出封裝市場(chǎng)中占比不到20%。高密度和超高密度主要用于移動(dòng)應(yīng)用，預(yù)計(jì)將擴(kuò)展到一些網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算應(yīng)用。全球最大的WLCSP制造商是臺(tái)積電。

在過(guò)去的十年中，堆疊式WLCSP得到了充分發(fā)展，它允許在同一封裝內(nèi)集成多個(gè)集成電路，既可用于異質(zhì)鍵合（集成邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片），也可用于存儲(chǔ)芯片堆疊。在2.5-D堆疊中，兩個(gè)或更多芯片并排放置，一個(gè)芯片與另一個(gè)芯片之間用中間件連接。2.5-D堆疊根據(jù)所使用的內(nèi)插件種類可分為幾類：

硅內(nèi)插器是唯一需要TSV（即硅通孔）的類型，TSV是一種穿過(guò)硅芯片或晶圓的垂直電氣連接。硅內(nèi)插器使用的是一種穩(wěn)定的技術(shù)，已在市場(chǎng)上使用了十多年，但硅的成本很高，而且需要前端技術(shù)和制造能力。臺(tái)積電的CoWoS-S（晶片上基板芯片）在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

硅橋相對(duì)較新。由于硅橋使用的硅量比傳統(tǒng)硅內(nèi)插器少，因此更薄，從而降低了功耗，提高了設(shè)計(jì)靈活性。與傳統(tǒng)硅插針相比，硅橋的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)集成，因此被用于人工智能等高性能計(jì)算（HPC）領(lǐng)域。具有代表性的技術(shù)包括英特爾的EMIB（嵌入式多芯片互連橋）和臺(tái)積電的CoWoS-L。

再分布層也可以作為內(nèi)插層。這種技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于，創(chuàng)建RDL的光刻工藝可實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖案化，從而提高速度和散熱性能。臺(tái)積電的CoWoS-R（基板上芯片RDL）即將開(kāi)始批量生產(chǎn)。

玻璃也正在成為下一代內(nèi)插材料。它在高頻帶寬下具有低成本和低功率損耗的特點(diǎn)，但可能在一段時(shí)間內(nèi)還無(wú)法推向市場(chǎng)。

在三維堆疊中，多個(gè)芯片面朝下相互疊放，可以使用或不使用中間膜。3-D堆疊主要有兩種類型。最常見(jiàn)的是帶微凸塊（μ-凸塊）的TSV。新的替代方法是無(wú)緩沖混合鍵合，使用介質(zhì)鍵合和嵌入式金屬形成互連；存儲(chǔ)器廠商正在探索這種方法。

先進(jìn)封裝市場(chǎng)受終端應(yīng)用驅(qū)動(dòng)

自2010年代中期以來(lái)，扇出式晶圓級(jí)封裝一直占據(jù)主導(dǎo)地位，市場(chǎng)份額約為60%。扇出封裝比堆疊封裝成本更低，而且具有高耐熱性和小外形尺寸的特點(diǎn)。這些特性使其適用于移動(dòng)應(yīng)用，而移動(dòng)應(yīng)用可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)扇出式封裝的大部分需求。

蘋果公司的應(yīng)用處理器、圖形芯片以及5G和6G調(diào)制解調(diào)器芯片采用扇出先進(jìn)封裝。蘋果是該技術(shù)的最大用戶，消耗了臺(tái)積電生產(chǎn)的大部分產(chǎn)品。其他頂級(jí)無(wú)晶圓廠企業(yè)，即設(shè)計(jì)和銷售硬件和芯片但外包生產(chǎn)的公司，也在大規(guī)模生產(chǎn)的芯片中使用扇出技術(shù)。

高性能計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大部分增長(zhǎng)可能來(lái)自人工智能芯片、邊緣計(jì)算和消費(fèi)類設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)芯片，它們需要扇出封裝所能提供的小外形尺寸和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的成本。

最有可能推動(dòng)2.5-D堆疊技術(shù)增長(zhǎng)的可能是HPC應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心對(duì)這種應(yīng)用的需求量很大。雖然2022年使用2.5-D堆疊技術(shù)的數(shù)據(jù)中心容量不到20%，但在未來(lái)五年內(nèi)，這一比例可能會(huì)增加到50%。對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用而言，2.5-D封裝被認(rèn)為成本過(guò)高，但隨著下一代產(chǎn)品的到來(lái)，這種情況可能會(huì)有所改變，因?yàn)橄乱淮a(chǎn)品將采用成本更低的硅橋、RDL和玻璃中間膜。

在三維封裝方面，存儲(chǔ)器--三維堆疊的主要應(yīng)用--以及SoC的使用預(yù)計(jì)將以大約30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。越來(lái)越多的高性能產(chǎn)品（包括高帶寬內(nèi)存（HBM）和帶HBM的內(nèi)存處理（PIM-HBM））將三維堆疊內(nèi)存與邏輯芯片集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)了高帶寬要求。對(duì)三維堆疊內(nèi)存的大量需求可能來(lái)自數(shù)據(jù)中心服務(wù)器（需要大容量和高速度）、圖形加速器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（需要盡可能大的內(nèi)存和處理帶寬）。

高性能計(jì)算系統(tǒng)，特別是中央處理器，將推動(dòng)對(duì)3-DSoC芯片的需求。主要廠商在2022年開(kāi)始采用混合鍵合技術(shù)，快速跟進(jìn)者可能很快就會(huì)加入市場(chǎng)。由于技術(shù)門檻較高，OSAT、低級(jí)代工廠和集成設(shè)備制造商（IDM）不太可能進(jìn)入市場(chǎng)。

入局者難以忽視的門檻

先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展必然面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，技術(shù)門檻較高，需要投入大量的研發(fā)資金和人力資源。其次，市場(chǎng)接受度尚需提升，由于新技術(shù)的推廣和應(yīng)用需要一定時(shí)間，因此初期可能面臨市場(chǎng)需求不足的問(wèn)題。此外，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何保持技術(shù)的領(lǐng)先性和創(chuàng)新性也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。

因此，為了獲得并留住高價(jià)值的fab客戶，制造商必須能夠自如地開(kāi)發(fā)高級(jí)封裝解決方案。雖然fab廠商在開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)前完全掌控芯片規(guī)劃流程，但制造商仍有增值空間。聯(lián)合開(kāi)發(fā)通常發(fā)生在芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)階段和用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的初始穿梭運(yùn)行階段。由于對(duì)更高性能芯片的需求以及封裝造成的芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，預(yù)計(jì)這種合作的需求將會(huì)增加。

對(duì)于芯片制造商來(lái)說(shuō)，另一個(gè)潛在的重要價(jià)值主張是確保設(shè)計(jì)能力和提供一站式解決方案--從設(shè)計(jì)到晶圓制造、封裝和測(cè)試。

在制造方面，制造商需要掌握2.5-D和3-D封裝的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)能力，分別是中間膜和混合鍵合。就2.5-D而言，制造商必須能夠利用新型材料和制造方法（包括硅、RDL和玻璃）處理新興的內(nèi)插器解決方案。對(duì)于三維技術(shù)，最新的混合鍵合技術(shù)要求采用化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)，以相同的平坦度拋光各種物質(zhì)，防止出現(xiàn)凹陷，并通過(guò)設(shè)備和技術(shù)訣竅方面的磁盤到晶片能力實(shí)現(xiàn)高互連精度。

因此，盡管先進(jìn)封裝技術(shù)的市場(chǎng)足夠引人注目，卻也并非普通玩家能夠進(jìn)場(chǎng)的，唯有掌握核心技術(shù)的先驅(qū)者才能站穩(wěn)腳跟。