如果我們要用一個詞來形容我們的未來，那就是“以數(shù)據(jù)為中心”。

如今，幾乎每個行業(yè)的各個層面都出現(xiàn)了數(shù)據(jù)爆炸式增長。每一秒，我們的數(shù)字世界都會產(chǎn)生 4,000 TB 的數(shù)據(jù)，而且這個數(shù)量預(yù)計只會在未來增加。

機器學(xué)習(xí)和人工智能等數(shù)據(jù)豐富的應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)中心、5G 和自動駕駛汽車等廣泛應(yīng)用程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)推動因素。要運行這些應(yīng)用程序，需要一個強大的處理器，其基礎(chǔ)是基于 Si 的集成電路 (IC)。

幾十年來，英特爾等 IC 供應(yīng)商設(shè)計的芯片將所有功能都集成在同一芯片上，然而，隨著業(yè)界看到摩爾定律的放緩（芯片密度不再每兩年翻一番），單片 IC 的微縮成為越來越困難和昂貴。這將 IC 供應(yīng)商推向“先進的半導(dǎo)體封裝”。

先進封裝登場，技術(shù)路線“誰主沉浮”

2000年以來，集成電路封裝從括球柵陣列封裝、倒裝芯片封裝等轉(zhuǎn)入更為復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)“陣地”，雨后春筍般涌現(xiàn)出以晶圓級封裝(WLP) 、系統(tǒng)級封裝(SiP) 、硅通孔(TSV)、2.5D/3D封裝、嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）等為代表的先進封裝技術(shù)。

時至2023年，“百花齊放”的先進封裝技術(shù)中，哪些會成為主流？

芯徳科技技術(shù)副總張中說：“個人觀察，目前晶圓級封裝（WLP）出貨量仍然是最大的，在市場逐步恢復(fù)后，中國大陸封裝廠月出貨量可達億級規(guī)模。如果從今后趨勢判斷，我們傾向于以Chiplet為理念的2.5D/3D封裝會成長為主要的先進封裝形式?！?/span>

據(jù)悉，晶圓級封裝（WLP）主要有Fan-in（扇入式）、Fan-Out（扇出式）兩種類型。其與傳統(tǒng)封裝不同之處在于，封裝過程中大部分工藝都是對晶圓進行操作，即在晶圓上進行整體封裝，封裝完成后再切割分片，符合輕、小、短、薄化市場趨勢。

英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強指出，眾多先進封裝技術(shù)中，硅通孔（TSV）是實現(xiàn)3D先進封裝的重要技術(shù)，目前還在探索TDV絕緣層穿孔技術(shù)，在微小尺度下比TSV擁有更好的供電能力和信號完整性。2.5D、3D先進封裝技術(shù)的發(fā)展，也是為實現(xiàn)SiP系統(tǒng)級封裝，將不同功能、不同制程的芯片更好地集成在一個大封裝里。先進封裝技術(shù)要想在半導(dǎo)體行業(yè)成為主流，需要依靠在產(chǎn)品中的大規(guī)模使用來提高性價比，目前英特爾產(chǎn)品已在應(yīng)用2.5D和3D先進封裝技術(shù)。

某權(quán)威咨詢機構(gòu)資深分析師趙玉（化名）表示，技術(shù)市場驅(qū)動著2.5D、3D封裝向著先進封裝主流技術(shù)發(fā)展，尤其在人工智能的推動下。此外，就現(xiàn)階段來看，F(xiàn)an-Out在小尺寸封裝里也是不錯的選擇。

此外，隨著先進封裝技術(shù)不斷發(fā)展，尤其晶圓級封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)提高，與芯片設(shè)計、制造業(yè)的協(xié)同發(fā)展顯得更加重要。而晶圓級封裝的出現(xiàn)讓晶圓廠和封裝廠之間的界限“模糊不明”，為臺積電、英特爾和三星等企業(yè)提供了在先進封裝“舞臺”上展示實力的機會。

宋繼強對此表示，更高級的封裝技術(shù)的應(yīng)用，對封裝廠設(shè)備、原材料、潔凈度等要求都在向晶圓廠靠攏。譬如英特爾將很多原來封裝廠的工作轉(zhuǎn)移到晶圓廠進行，系統(tǒng)性地使用無機材料替換有機材料，采用先進的銅填充與平整技術(shù)，讓先進封裝所需的制造流程更容易與晶圓廠整合，例如3D先進封裝就主要由晶圓廠在做，“當(dāng)然，先進封裝的不斷發(fā)展，和其它半導(dǎo)體技術(shù)一樣，絕非一家或幾家企業(yè)就能實現(xiàn)的，而需要整個行業(yè)的開放協(xié)作，以產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的深度融合?！?/span>


“HPC+AI”為先進封裝不斷注入內(nèi)驅(qū)力

近年來，先進封裝的內(nèi)驅(qū)力已從高端智能手機領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)向高性能計算（HPC）、人工智能（AI）等，涉及高性能處理器、存儲器、人工智能訓(xùn)練和推理等。

就“人工智能在推動先進封裝技術(shù)發(fā)展上將起到怎樣作用”這一問題，芯和半導(dǎo)體副總裁倉巍回應(yīng)，從人工智能（如ChatGPT）的角度來看，高性能計算將會是實現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵基礎(chǔ)。算力是人工智能發(fā)展的技術(shù)保障，是人工智能發(fā)展的動力和引擎。當(dāng)摩爾定律接近物理極限，通過SoC單芯片的進步已經(jīng)很難維系更高性能的HPC，整個系統(tǒng)層面的異構(gòu)集成先進封裝將成為半導(dǎo)體高速增長的最重要引擎之一。

“越來越多的系統(tǒng)公司開始垂直整合，自研芯片已成為新的風(fēng)潮，從系統(tǒng)最終應(yīng)用的角度倒退規(guī)劃異構(gòu)集成中的所有芯片和先進封裝設(shè)計，進行協(xié)同設(shè)計和仿真分析，這些趨勢對EDA構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。為填補異構(gòu)集成設(shè)計分析這一市場空白，國際領(lǐng)先的EDA廠商都在開發(fā)前所未有的EDA解決方案，也給了國產(chǎn)EDA彎道超車的最佳時機。”倉巍說道。

芯徳科技技術(shù)副總張中表示，人工智能推動先進封裝技術(shù)發(fā)展是毫無疑問的。以ChatGPT為例，其對算力要求高，需要高性能芯片支持。而當(dāng)前實際處理 ChatGPT的GPU就是英偉達的HGX A100，其依托2.5D/3D封裝技術(shù)實現(xiàn)，發(fā)揮出最優(yōu)性能。

伴隨AI快速發(fā)展，AI大模型的參數(shù)量已達到萬億級，其能力不斷增強的同時，訓(xùn)練和推理亟需較大算力支持，這需要性能更強、功耗更低的芯片。

英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強指出，晶體管尺寸正逐漸逼近物理極限，在探索提高芯片算力的創(chuàng)新路徑中，先進封裝便是其中之一：一方面，先進封裝可不斷微縮互連間距，增加在單個設(shè)備內(nèi)集成的晶體管數(shù)量；另一方面，利用先進封裝技術(shù)在一個封裝好的設(shè)備里構(gòu)建完整的計算系統(tǒng)，令不同廠商生產(chǎn)的、基于不同制程的、不同功能的異構(gòu)硬件（如CPU、GPU、FPGA、AI加速器等），經(jīng)由高密度的互連集成在一起高效工作，通過異構(gòu)計算進一步釋放算力。此外，由于AI大模型訓(xùn)練和推理使用的數(shù)據(jù)量非常大，也亟需采用帶寬更高、能耗更優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，如可以與計算、存儲芯片封裝在一起的集成光子模塊。


先進封裝的增長動力

IDTechEx 確定了先進半導(dǎo)體封裝的四個主要應(yīng)用領(lǐng)域：高性能計算 (HPC) 應(yīng)用/數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、自動駕駛汽車和消費電子產(chǎn)品。對數(shù)據(jù)處理不斷增長的需求是這些應(yīng)用領(lǐng)域增長的主要推動力。然而，每種應(yīng)用都有特定的要求，需要不同的先進半導(dǎo)體封裝技術(shù)。

對于 HPC 應(yīng)用程序/數(shù)據(jù)中心，首要任務(wù)是提供卓越的數(shù)據(jù)處理能力，這使得使用 Si 中介層或 Si 橋接器的 2.5DIC 技術(shù)成為首選，盡管它們的成本較高。相比之下，智能手機或智能手表等消費電子產(chǎn)品注重小型化和成本，有機封裝技術(shù)是首選。

在 5G 及以后的通信中，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是傳輸損耗。因此，采用先進的封裝技術(shù)使天線更靠近 RF IC 芯片，從而最大限度地減少傳輸損耗?！胺庋b天線 (AiP)”是目前 5G 毫米波最可行的選擇，而“芯片/晶圓上天線 (AoP)”仍在緊鑼密鼓地開發(fā)以降低成本。

對于未來的自動駕駛汽車，CPU 和其他組件（例如 HBM 和可靠的電力傳輸系統(tǒng)）的異構(gòu)集成將為先進半導(dǎo)體封裝和創(chuàng)新創(chuàng)造新的機會。

數(shù)據(jù)處理的擴展是所有這些應(yīng)用程序的統(tǒng)一增長因素。然而，由于每個應(yīng)用領(lǐng)域的要求不同，正在使用先進的半導(dǎo)體封裝技術(shù)來滿足特定需求。


中國大陸的先進封裝

實際上，以2000年為節(jié)點，我們可以將封裝產(chǎn)業(yè)分為傳統(tǒng)封裝階段和先進封裝階段。而封裝是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最早、起步最快的行業(yè)。

現(xiàn)在，長電、通富微電、華天都已經(jīng)進入全球封裝企業(yè)前十。長電科技、通富微電、華天科技按營收口徑分列第3、5、6位，長電科技已處于國際第一梯隊，通富微電與華天科技處于國際第二梯隊。

長電先進具備FC、PoP、Fan-out、WLP、2.5D/3D等先進封裝的能力；星科金朋新加坡廠擁有Fan-out eWLB和WLCSP封裝能力，韓國廠擁有SiP和FC系統(tǒng)封測能力，江陰廠擁有先進的存儲器封裝、全系列的FC倒裝技術(shù)；長電韓國主營SiP高端封裝業(yè)務(wù)。

華天科技在先進封裝方面已經(jīng)掌握了MCM、BGA、3D、SIP、MEMS、FC、TSV、Bumping、Fan-out、WLP等技術(shù)。

通富微電擁有Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先進封測技術(shù)。

2D封裝

在Fan-out封裝上，華天科技推出了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的晶圓級eSiFO。eSiFO的優(yōu)勢包括硅基板，翹曲小、應(yīng)力低的高可靠性，生產(chǎn)周期短、工藝設(shè)備小的低成本、高集成度、系統(tǒng)級封裝。目前已經(jīng)可以為客戶提供8英寸、12英寸晶圓級扇出封裝。

而在eSiFO技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以通過TSV、Bumping等晶圓級封裝的技術(shù)，實現(xiàn)3D、SiP的封裝。

長電科技旗下星科金朋新加坡廠擁有eWLB技術(shù)，作為Fan-out封裝技術(shù)的進一步升級，eWLB技術(shù)主要用于高端手機主處理器的封裝，適用于高性能低功耗的芯片產(chǎn)品。

eWLB技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)突破性的超薄封裝，具有更高的I/O引腳數(shù)，散熱性能和電氣性能較強，可以提供低功耗、高性能的解決方案，同時擴展異構(gòu)芯片集成能力，能夠在不使用成本高昂的TSV技術(shù)的情況下，嵌入多個垂直三維互聯(lián)的有源和無源元件到相同的晶片級封裝。


2.5D、3D封裝

長電科技2021年7月推出了一款使用Chip-Last封裝工藝的高密度扇出式封裝——XDFOI，應(yīng)用場景主要集中在對集成度和算力有較高要求的FPGA、CPU、GPU、AI和5G網(wǎng)絡(luò)芯片等

長電科技XDFOI技術(shù)，相較于2.5D TSV封裝技術(shù)，具備更高性能、更高可靠性以及更低成本等特性。該解決方案在線寬或線距可達到2um的同時，可實現(xiàn)多層布線層，另外，采用了極窄節(jié)距凸塊互聯(lián)技術(shù)，封裝尺寸大，可集成多顆芯片、高帶寬內(nèi)存和無源器件。

3D封裝方面，華天科技推出了3D-eSinC解決方案。華天科技稱，2022年將開展2.5D Interpose FCBGA、FOFCBGA、3D FOSiP等先進封裝技術(shù)，以及基于TCB工藝的3D Memory封裝技術(shù)，Double Sidemolding射頻封裝技術(shù)、車載激光雷達及車規(guī)級12英寸晶圓級封裝等技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。

3DIC方面，長電科技推出了擴展eWLB。長電科技基于eWLB的中介層可在成熟的低損耗封裝結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高密度互連，提供更高效的散熱和更快的處理速度。3D eWLB互連（包括硅分割）是通過獨特的面對面鍵合方式實現(xiàn)，無需成本更高的TSV互連，同時還能實現(xiàn)高帶寬的3D集成。

在2.5D/3D封裝方面，通富微電在高性能計算領(lǐng)域建成了國內(nèi)2.5D/3D封裝平臺(VISionS)及超大尺寸FCBGA研發(fā)平臺。其中2.5D技術(shù)已于2021年成功開發(fā)，實現(xiàn)樣品制作，目前正在配合客戶做進一步產(chǎn)品認(rèn)證和量產(chǎn)規(guī)劃，預(yù)計2022年下半年到2023年，一些客戶會逐漸進入2.5D封裝量產(chǎn)階段。

隨著世界對算力需求的增長，當(dāng)先進制程達到物理極限時，先進封裝或許能夠提供更新的動力。正如英特爾CEO帕特?基辛格所說：“到2030年，希望能將單個設(shè)備中的晶體管數(shù)量從1千億個增加到1萬億個?，F(xiàn)在對于技術(shù)專家們而言，既是最好的時代，也是最重要的時代。”