近幾年來(lái)，受限于工藝、制程和材料的瓶頸，摩爾定律的演進(jìn)開(kāi)始放緩，芯片的集成越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)，3D封裝開(kāi)始被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代集成電路的一個(gè)重要發(fā)展方向。英特爾、臺(tái)積電、三星等半導(dǎo)體大廠都對(duì)3D封裝技術(shù)給予了高度重視。在日前舉辦的“架構(gòu)日”活動(dòng)中，英特爾發(fā)布了3D封裝技術(shù)Foveros，首次在邏輯芯片中實(shí)現(xiàn)3D堆疊，對(duì)不同種類(lèi)芯片進(jìn)行異構(gòu)集成。臺(tái)積電則重點(diǎn)開(kāi)發(fā)SoIC 技術(shù)。三星亦重金打造3D SiP系統(tǒng)級(jí)封裝。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年中，3D封裝技術(shù)將成為半導(dǎo)體一線龍頭廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

延續(xù)摩爾定律新途徑

新的封裝技術(shù)可以徹底改變目前的芯片架構(gòu)，可以往芯片上方再疊加芯片。

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的不二法則一直是致力于制造尺寸更小、處理速度更快、成本更低的晶體管，以獲取更大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和更高的銷(xiāo)售收入。1965年，英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾預(yù)測(cè)，每18個(gè)月芯片集成的晶體管數(shù)量將實(shí)現(xiàn)翻倍，成本下降約一半。但是隨著產(chǎn)業(yè)進(jìn)入更先進(jìn)的加工技術(shù)節(jié)點(diǎn)，摩爾定律受到越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，僅靠縮小線寬的辦法已經(jīng)無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足性能、功耗、面積以及信號(hào)傳輸速度等多方面的要求。在此情況下，越來(lái)越多的公司開(kāi)始把注意力放在系統(tǒng)集成層面尋求解決方案，3D封裝技術(shù)開(kāi)始扮演重要角色。

英特爾的首席架構(gòu)師Raja表示，新的封裝技術(shù)可以徹底改變目前的芯片架構(gòu)，可以往芯片上方再疊加芯片。如果在處理器芯片上疊一顆5G基帶芯片，那么支持5G的處理器就誕生了。

在第二屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)上，華為硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室首席架構(gòu)師吳伯平表達(dá)的觀點(diǎn)也很相似。吳伯平表示，盡管封裝也在追趕摩爾定律的速度，但因?yàn)榉庋b有多樣性，封裝與摩爾定律的趨勢(shì)并非完全一致?，F(xiàn)在的趨勢(shì)之一就是把很多芯片封裝在一個(gè)大芯片內(nèi)，這種“組合”的方式是未來(lái)的大趨勢(shì)。

其實(shí)，3D封裝技術(shù)并不新鮮，芯片間的垂直堆疊的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)多年。它是在X-Y平臺(tái)的二維封裝的基礎(chǔ)上通過(guò)凸塊（Bumping）、硅通孔（TSV）等工藝，實(shí)現(xiàn)芯片間的互聯(lián)，推動(dòng)芯片向z軸方向發(fā)展的高密度封裝技術(shù)。資料顯示，與傳統(tǒng)2D封裝相比，使用3D技術(shù)可以縮小芯片尺寸、減輕重量;在能效比方面，3D技術(shù)節(jié)約的功率可使3D元件以每秒更快的轉(zhuǎn)換速度運(yùn)轉(zhuǎn)而不增加能耗。同時(shí)，3D封裝還能更有效地利用硅片的有效區(qū)域。

不過(guò)，目前3D封裝技術(shù)還不成熟，在進(jìn)行3D堆疊的過(guò)程中，芯片間的發(fā)熱一直存在問(wèn)題，價(jià)格也是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前3D封裝在存儲(chǔ)芯片上已有較多應(yīng)用，但在邏輯芯片上仍然極少有應(yīng)用。

巨頭競(jìng)逐3D封裝

目前，英特爾、臺(tái)積電、三星等半導(dǎo)體大廠都對(duì)3D封裝技術(shù)給予高度重視。

目前，英特爾、臺(tái)積電、三星等半導(dǎo)體大廠都對(duì)3D封裝技術(shù)給予高度重視。在近日舉行的英特爾“架構(gòu)日”活動(dòng)中，英特爾推出Foveros封裝技術(shù)。該技術(shù)是首次在邏輯芯片上實(shí)現(xiàn)3D堆疊。據(jù)介紹，F(xiàn)overos可以將不同工藝、結(jié)構(gòu)、用途的芯片整合到一起，從而將更多的計(jì)算電路組裝到單個(gè)芯片上。英特爾表示，該技術(shù)提供了更大的靈活性，設(shè)計(jì)人員可以在新的產(chǎn)品形態(tài)中“混搭”不同的IC模塊、I/O配置，并使產(chǎn)品能夠分解成更小的“芯片組合”。英特爾預(yù)計(jì)將從2019年下半年開(kāi)始推出一系列采用Foveros技術(shù)的產(chǎn)品，首款Foveros產(chǎn)品將整合10nm高性能芯片組合和22FFL的低功耗基礎(chǔ)芯片。

英特爾在2.5D封裝上也有所嘗試，此前其推出的“嵌入式多芯片互連橋接”（EMIB）技術(shù)，可在兩枚裸片邊緣連接處加入一條硅橋接層（Silicon Bridge），實(shí)現(xiàn)裸片間的互聯(lián)，達(dá)到異構(gòu)聯(lián)接的目的。EMIB已經(jīng)被英特爾用于Stratix 10 FPGAs和搭載Radeon顯卡的第8代酷睿處理器中。

臺(tái)積電雖然定位于晶圓代工業(yè)務(wù)，對(duì)于先進(jìn)封裝也極為重視，數(shù)年前便推出WLSI（Wafer-Level-System-Integration）技術(shù)平臺(tái)，應(yīng)對(duì)異構(gòu)集成趨勢(shì)。該平臺(tái)包括CoWoS封裝、InFO封裝等晶圓級(jí)封裝技術(shù)。2018年中期臺(tái)積電又推出了接近 3D封裝層次的多芯片堆疊技術(shù) SoIC，主要是針對(duì) 10nm 以下的工藝技術(shù)進(jìn)行晶圓級(jí)接合。據(jù)DIGITIMES消息，臺(tái)積電內(nèi)部已經(jīng)把SoIC正式列入WLSI平臺(tái)，并稱(chēng)一兩年內(nèi)采用SoIC封裝的產(chǎn)品將會(huì)商品化。另有消息稱(chēng)，賽靈思與臺(tái)積電公司已經(jīng)就7nm工藝和3D IC技術(shù)開(kāi)展合作，將共同打造其下一代All Programmable FPGA、MPSoC和3D IC。

在2018年舉行的三星晶圓代工論壇上，三星公布了在封測(cè)領(lǐng)域的路線圖。三星目前已經(jīng)可以提供2.5D封裝層次的I-Cube技術(shù)，同時(shí)計(jì)劃2019年推出3D SiP系統(tǒng)級(jí)封裝。三星的IC設(shè)計(jì)服務(wù)合作伙伴智原也在先進(jìn)封裝工藝方面與其進(jìn)行配合，提供與3D SiP 封裝工藝相對(duì)應(yīng)的方案。

中芯國(guó)際對(duì)3D封裝技術(shù)也有所布局，2014年它與長(zhǎng)電科技合資建立中芯長(zhǎng)電半導(dǎo)體公司。中芯長(zhǎng)電面向凸塊加工（Bumping）等中段硅片工藝進(jìn)行代工制造。2016年中芯長(zhǎng)電14納米凸塊加工實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這也意味著，中芯國(guó)際在3D封裝技術(shù)上邁出了重要一步。

專(zhuān)業(yè)封測(cè)廠面臨新挑戰(zhàn)

3D封測(cè)需要在硅片級(jí)進(jìn)行芯片之間互聯(lián)，從而產(chǎn)生了凸塊、再布線、硅通孔等中段工藝。

隨著3D封裝的重要性不斷提升，盡管英特爾、臺(tái)積電等均表示，開(kāi)發(fā)3D封裝技術(shù)的主要目標(biāo)，并非要與專(zhuān)業(yè)封測(cè)代工廠（OSAT）競(jìng)爭(zhēng)，但是這一趨勢(shì)必然會(huì)對(duì)原有產(chǎn)業(yè)格局造成影響。高通公司資深副總裁陳若文就表示，硅片級(jí)系統(tǒng)封裝（WLP）和3D系統(tǒng)集成的趨勢(shì)，強(qiáng)化了產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的內(nèi)在聯(lián)系，要求各個(gè)環(huán)節(jié)不再是割裂地單獨(dú)進(jìn)行生產(chǎn)加工，而是要求從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、前段工藝技術(shù)和封測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展更加緊密的合作。

由于3D封裝需要把不同工藝技術(shù)的裸片封裝在一個(gè)硅片級(jí)的系統(tǒng)里，這就產(chǎn)生了在硅片級(jí)進(jìn)行芯片之間互聯(lián)的需要，從而產(chǎn)生了凸塊（Bumping）、再布線（RDL）、硅通孔（TSV）等中段工藝。以3D封裝為代表的先進(jìn)封裝市場(chǎng)將在2020年達(dá)到整體IC封裝服務(wù)的44%，年?duì)I收約為315億美元，12英寸晶圓數(shù)由2015年的0.25億片增至2019年0.37億片。對(duì)此，市場(chǎng)研究公司Yole Development表示，先進(jìn)封裝占比的提升，提升了封測(cè)廠在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位，也對(duì)封測(cè)廠提出新的挑戰(zhàn)。一方面，封測(cè)廠要積極應(yīng)對(duì)上游晶圓廠在中道技術(shù)方面的布局;另一方面，通過(guò)SiP技術(shù)開(kāi)辟模組新的市場(chǎng)。但不論技術(shù)走向如何，封測(cè)技術(shù)在超越摩爾時(shí)代起到的作用將會(huì)大幅提升。

華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司總經(jīng)理曹立強(qiáng)也表示，現(xiàn)在先進(jìn)封裝技術(shù)之所以越來(lái)越受到關(guān)注，是因?yàn)樵谡麄€(gè)集成電路制造產(chǎn)業(yè)中，封裝的作用會(huì)越來(lái)越突出，尤其是在未來(lái)集成化的發(fā)展和異質(zhì)集成概念出現(xiàn)之后。