聯(lián)盟擴員,代工巨頭「血拼」先進封裝
由三星電子于去年 6 月發(fā)起的 MDI(多芯片集成)聯(lián)盟,正涌入更多的合作者。目前,該聯(lián)盟中包括多家存儲、封裝基板和測試廠商在內(nèi)的合作伙伴已增至 30 家,較去年的 20 家有所增長,僅一年時間就增加了 10 家。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/202407/460746.htm近年來,隨著 AI 爆火,先進封裝的崛起逐步成為業(yè)界共識。在算力需求與電路可容納晶體管數(shù)量雙雙接近極限之時,堆疊和組合不同的芯片便被認為是一種更具效率的芯片制造理念。
此次合作伙伴數(shù)量的增加,也反映出三星電子在半導體封裝技術(shù)方面的積極態(tài)度和堅定決心。通過與更多的合作伙伴建立緊密的合作關(guān)系,三星電子可以更好地整合資源,提升技術(shù)實力,加速產(chǎn)品研發(fā)和市場推廣。同時,這也將有助于三星電子在半導體封裝技術(shù)領(lǐng)域取得更大的突破和進展。
臺積電、三星先后成立兩大先進封裝聯(lián)盟
3DFabric 聯(lián)盟
在 2022 年的開放創(chuàng)新平臺生態(tài)系統(tǒng)論壇上,臺積電宣布開放式創(chuàng)新平臺(OIP)3D Fabric 聯(lián)盟成立。
3DFabric 聯(lián)盟成員能夠及早取得臺積電的 3DFabric 技術(shù),使得他們能夠與臺積電同步開發(fā)及優(yōu)化解決方案,也讓客戶在產(chǎn)品開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位,及早獲得從 EDA 及 IP 到 DCA / VCA、存儲、委外封裝測試(OSAT)、基板及測試的最高品質(zhì)與既有的解決方案及服務(wù)。這一聯(lián)盟是臺積電第六個開放創(chuàng)新平臺(OIP)聯(lián)盟。
臺積電的 3DFabric 技術(shù)包括前段 3D 芯片堆疊或 TSMC-SoIC(系統(tǒng)整合芯片),以及包括 CoWoS 及 InFO 系列封裝技術(shù)的后端技術(shù),其能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的效能、功耗、尺寸外觀及功能,達成系統(tǒng)級整合。
除了已經(jīng)量產(chǎn)的 CoWoS 及 InFO 之外,臺積電于 2022 年開始生產(chǎn)系統(tǒng)整合芯片。臺積電目前在竹南擁有全球首座全自動化 3DFabric 晶圓廠,其整合了先進測試、臺積電的系統(tǒng)整合芯片及 InFO 操作,提供客戶最佳的靈活性,利用更好的生產(chǎn)周期時間與品質(zhì)管制來優(yōu)化封裝。
MDI 聯(lián)盟
無獨有偶,去年 6 月 27 日在第七屆三星晶圓代工論壇(SFF)上,三星宣布了最新的芯片制造工藝路線圖和業(yè)務(wù)戰(zhàn)略,并成立了多芯片集成(MDI)聯(lián)盟。目前,該聯(lián)盟中包括多家存儲、封裝基板和測試廠商在內(nèi)的合作伙伴已增至 30 家。
MDI 聯(lián)盟主要針對的是 2.5D 及 3D 異構(gòu)集成封裝技術(shù),這一技術(shù)旨在將多個裸晶片,如 CPU、GPU、HBM(高帶寬存儲)等,整合到一個封裝中,以滿足高性能計算(HPC)領(lǐng)域日益增長的需求。隨著晶體管縮小尺度已接近極限,業(yè)界普遍認為,通過堆疊組合不同的小芯片是更高效的做法。因此,MDI 聯(lián)盟的建立和發(fā)展,對于三星電子在半導體封裝技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。
有業(yè)內(nèi)人士評論稱:「三星電子正在努力通過像 i-Cube 這樣的異構(gòu)集成封裝技術(shù)來打破臺積電的市場優(yōu)勢,但臺積電的可靠性和技術(shù)實力不容小覷。三星代工只有通過接受像 MDI 聯(lián)盟這樣的開放生態(tài)系統(tǒng),才能迎頭趕上?!?/p>
CPU 和 GPU 在制造過程中采取不同的設(shè)計理念,盡管三星電子擁有將代工、HBM 和封裝作為「一站式」解決方案的優(yōu)勢,但仍需設(shè)計、后處理公司和 EDA 工具公司等的支持。
作為全球最大的代工芯片制造商,臺積電在先進封裝技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位。三星成立 MDI 聯(lián)盟,通過加強在 2.5D 和 3D 封裝技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用,旨在縮小與臺積電在封裝技術(shù)方面的差距。通過與更多合作伙伴的緊密合作,三星可以共享技術(shù)資源、降低研發(fā)成本、加速產(chǎn)品上市時間。
先進封裝漸成產(chǎn)業(yè)共識
2008 年,臺積電開始布局先進封裝,首先成立集成互連與封裝技術(shù)整合部門。2009 年開始戰(zhàn)略布局三維集成電路系統(tǒng)整合平臺,在新竹、臺南、桃園、臺中建有 4 座先進封測廠,這為其后續(xù)的先進封裝技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2010 年,臺積電開始 2.5D Interposer 的研發(fā)。次年推出 2.5D Interposer 技術(shù) CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)。第一代 CoWoS 采用 65 納米工藝,線寬可以達到 0.25 μm,實現(xiàn) 4 層布線,為 FPGA、GPU 等高性能產(chǎn)品的集成提供解決方案。賽靈思(Xilinx)型號為「Virtex-7 2000T FPGA」的產(chǎn)品是最具代表性的 CoWoS 產(chǎn)品之一。目前 CoWoS 已經(jīng)獲得賽靈思、英偉達、AMD、富士通、谷歌等高端 HPC 芯片訂單。
2019 年第三季 CoWoS 技術(shù)已經(jīng)擴展至 7 納米,能夠在尺寸達二倍光罩大小的硅基板(Silicon Interposer)上異質(zhì)整合多顆 7 納米系統(tǒng)單晶片與第二代高頻寬存儲器(High Bandwidth Memory 2,HBM2)。
2020 年,臺積電公布 3D Fabric 先進封裝技術(shù)系列,包括 2D 和 3D 前端和后端互連技術(shù)。前端技術(shù) TSMC-SoIC(整合芯片系統(tǒng))使用 3D 硅堆棧所需,包括 CoW 和 WoW 堆棧技術(shù);后端工藝包括 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate,晶圓基底封裝)和 InFO 系列的封裝技術(shù)。
臺積電的 CoWoS、InFO、SoIC 及其他封裝技術(shù)能對 10 納米或以下的制程進行晶圓級的鍵合技術(shù),極大地強化了臺積電在先進工藝制程的競爭力。臺積電希望通過發(fā)揮異質(zhì)整合的優(yōu)勢,將系統(tǒng)中的晶體管數(shù)量提高 5 倍,甚至更多。2023 年,臺積電宣布先進后端六廠(Advanced Backend Fab 6)正式啟用,采用 3DFabric 技術(shù),為系統(tǒng)集成技術(shù)的量產(chǎn)做好準備。
在先進封裝技術(shù)方面,三星也不甘落后,一直保持積極的研發(fā)態(tài)度。
2015 年失去蘋果訂單后,三星開始加大在先進封裝技術(shù)上的研發(fā)力度,特別是 FOPLP 技術(shù)。2018 年,F(xiàn)OPLP 技術(shù)實現(xiàn)商用,并成功應(yīng)用于 Galaxy Watch 的處理器封裝應(yīng)用中。
2018 年,三星電子的 3D 封裝技術(shù)「X-Cube」開發(fā)完成。不同于以往多個芯片平行封裝,全新的 X-Cube3D 封裝允許多枚芯片堆疊封裝,使得成品芯片結(jié)構(gòu)更加緊湊。而芯片之間的通信連接采用了 TSV 技術(shù),而不是傳統(tǒng)的導線。據(jù)三星介紹,目前該技術(shù)已經(jīng)可以將 SRAM 存儲芯片堆疊到主芯片上方,以騰出更多的空間用于堆疊其他組件,目前該技術(shù)已經(jīng)可以用于 7nm 甚至 5nm 制程工藝的產(chǎn)品線,也就是說離大規(guī)模投產(chǎn)已經(jīng)十分接近。
2020 年 8 月,三星宣布推出 3D 先進封裝技術(shù)「X-Cube」。該技術(shù)基于 TSV 硅穿孔技術(shù),可以將不同芯片垂直堆疊,釋放空間堆疊更多內(nèi)存芯片。X-Cube 技術(shù)已經(jīng)可以用于 7nm 及 5nm 工藝,滿足 5G、AI、AR、VR、HPC 和移動芯片等領(lǐng)域的性能要求。
2021 年 5 月,三星宣布其下一代 2.5D 封裝技術(shù)「I-Cube4」即將上市?!窱-Cube4」全稱為「Interposer-Cube4」。作為一個三星的 2.5D 封裝技術(shù)品牌,它是使用硅中介層的方法,將多個芯片排列封裝在一個芯片上的新一代封裝技術(shù)。該技術(shù)集成 1 顆邏輯芯片和 4 顆高帶寬內(nèi)存(HBM),大幅提升邏輯器件和內(nèi)存之間的通信效率。盡管有專家指出該技術(shù)存在寄生參數(shù)缺陷及過薄等問題,但三星仍在持續(xù)優(yōu)化和改進。
此外,三星還在 2021 年還推出了其 2.5D 封裝解決方案 H-Cube。該方案通過整合兩種具有不同特點的基板,包括精細化的 ABF(Ajinomoto Build-up Film)基板以及 HDI(High Density Interconnection,高密度互連)基板,可以進一步實現(xiàn)更大的 2.5D 封裝。
為了與臺積電競爭,三星計劃 2024 年推出先進 3D 芯片封裝技術(shù) SAINT(Samsung Advanced Interconnection Technology,三星高級互連技術(shù)),能以更小尺寸的封裝,將 AI 芯片等高性能芯片的內(nèi)存和處理器集成。三星 SAINT 將被用來制定各種不同的解決方案,可提供三種類型的封裝技術(shù)。三星電子下代 3D 芯片堆疊技術(shù)的分支之一 SAINT-D 目前正處于概念驗證階段,即將以芯片形式推出,將實現(xiàn) HBM 內(nèi)存的垂直集成。
三星電子還計劃在 2027 年推出集成 CPO 共封裝光學模塊的全新一體化 AI 解決方案,旨在為客戶提供高速度低功耗的互聯(lián)選擇。
此外,三星還計劃整合其存儲芯片、代工和芯片封裝服務(wù),為客戶提供一站式解決方案,以更快地制造他們的人工智能(AI)芯片,駕馭 AI 熱潮。
根據(jù) http://Market.us 的數(shù)據(jù),全球 Chiplet 市場規(guī)模預(yù)計將從 2023 年的 31 億美元增至 2033 年的 1070 億美元左右,2024 年至 2033 年的預(yù)測期間復合年增長率為 42.5%。
越來越多的企業(yè)、研究機構(gòu)及行業(yè)協(xié)會開始重視先進封裝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。先進封裝技術(shù)已成為推動電子產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展的重要力量,其市場規(guī)??焖僭鲩L、產(chǎn)業(yè)共識逐漸形成、投資前景看好,都表明先進封裝漸成產(chǎn)業(yè)共識。
晶圓廠爭做先進封裝,「中道」概念火熱
在傳統(tǒng)封裝技術(shù)向先進封裝演進的過程中,曾有人提出「中道工藝」的概念,使傳統(tǒng)上前段晶圓制造工藝與后段封裝工藝的界線逐漸模糊。而臺積電將其封裝平臺「3DFabric」劃分為「前端」和「后端」封裝技術(shù)之后,這種劃分將進一步打破晶圓制造與封裝的界線,對于原有設(shè)計、制造、封測的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生新的影響。
近年來,隨著 AI 爆火,先進封裝的崛起逐步成為業(yè)界共識。在算力需求與電路可容納晶體管數(shù)量雙雙接近極限之時,堆疊和組合不同的芯片便被認為是一種更具效率的芯片制造理念。先進封裝技術(shù)是從最新芯片設(shè)計中榨取最大馬力的關(guān)鍵技術(shù),對于芯片代工制造商爭奪業(yè)務(wù)至關(guān)重要。這也使得晶圓廠開始介入先進封裝技術(shù)。
作為 IDM 和晶圓代工大廠,英特爾也在積極布局 2.5D/3D 封裝,挑戰(zhàn)臺積電。
通過多年技術(shù)探索,英特爾相繼推出了 EMIB、Foveros 和 Co-EMIB 等多種先進封裝技術(shù),力圖通過 2.5D、3D 和埋入式等多種異構(gòu)集成形式實現(xiàn)互連帶寬倍增與功耗減半的目標。
EMIB 是英特爾在 2.5D IC 上的嘗試,其全稱是「Embedded Multi-Die Interconnect Bridge」。因為沒有引入額外的硅中介層,而是只在兩枚裸片邊緣連接處加入了一條硅橋接層(Silicon Bridge),并重新定制化裸片邊緣的 I/O 引腳以配合橋接標準。
2018 年 12 月,英特爾展示了名為「Foveros」的全新 3D 封裝技術(shù),這是繼 2018 年英特爾推出突破性的 EMIB 封裝技術(shù)之后,英特爾在先進封裝技術(shù)上的又一個飛躍。
2019 年,英特爾再次推出了一項新的封裝技術(shù) Co-EMIB,這是一個將 EMIB 和 Foveros 技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用。它能夠讓兩個或多個 Foveros 元件互連,并且基本達到單芯片的性能水準。
2020 年,英特爾展示了其在 3D 封裝技術(shù)領(lǐng)域中的新進展,英特爾稱其為「混合鍵合(Hybrid bonding)」技術(shù),旨在替代傳統(tǒng)的「熱壓鍵合」技術(shù),實現(xiàn) 10 微米及以下的凸點間距,提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。
今年上半年,國際投行大摩消息稱,英偉達 GB200 采用的先進封裝工藝將使用玻璃基板;此外,英特爾、三星、AMD、蘋果等大廠此前均表示將導入或探索玻璃基板芯片封裝技術(shù)。這一消息再次引爆先進封裝市場。
臺積電目前已建成 6 家先進封測廠。應(yīng)眾多客戶要求,臺積電于 2023 年 Q2 開始緊急為 CoWoS 購進設(shè)備、配置產(chǎn)能。2023 年底臺積電 CoWoS 月產(chǎn)能約為 15000 片晶圓,追加設(shè)備進駐后,月產(chǎn)能預(yù)計可達 20000 片以上,并逐季增加。
英特爾目前在美國奧勒岡州和新墨西哥州建成 2 座先進封裝廠,2021 年 5 月宣布斥資 35 億美元擴充新墨西哥州先進封裝產(chǎn)能。2023 年 8 月宣布在馬來西亞檳城建立先進封裝新廠,預(yù)計 2024 年底到 2025 年完工投產(chǎn),該廠將成為英特爾最大的 3D 先進封裝基地。英特爾規(guī)劃 2025 年 3DFoveros 封裝產(chǎn)能達 2023 年水平的 4 倍。
三星 2023 年計劃在韓國天安廠區(qū)建立一條 HBM 所需的新封裝線,用于供應(yīng)高性能芯片廠商,并計劃于 2024 年將 HBM 產(chǎn)能提升為當前的 2.5 倍。三星的 HBM3 已通過英偉達和 AMD 的質(zhì)量檢測,即將成為供應(yīng)商。
英特爾、臺積電等為晶圓廠主要代表,其在前道制造環(huán)節(jié)經(jīng)驗更豐富,能深入發(fā)展需要刻蝕等前道步驟 TSV 技術(shù),因而在 2.5D/3D 封裝技術(shù)方面較為領(lǐng)先。先進封裝已成為半導體創(chuàng)新、增強功能、性能和成本效益的關(guān)鍵而其工藝偏向于前道工藝,使得晶圓代工廠與 IDM 廠商在該領(lǐng)域具有天然先發(fā)優(yōu)勢。目前,索尼、力成、德州儀器(TI)、SK 海力士、聯(lián)電等也積極布局先進封裝產(chǎn)能,進一步加劇先進封裝市場競爭格局。
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