延續(xù)摩爾定律 半導(dǎo)體大廠競逐3D封裝

　　近幾年來，受限于工藝、制程和材料的瓶頸，摩爾定律的演進開始放緩，芯片的集成越來越難以實現(xiàn)，3D封裝開始被認(rèn)為是后摩爾時代集成電路的一個重要發(fā)展方向。英特爾、臺積電、三星等半導(dǎo)體大廠都對3D封裝技術(shù)給予了高度重視。在日前舉辦的“架構(gòu)日”活動中，英特爾發(fā)布了3D封裝技術(shù)Foveros，首次在邏輯芯片中實現(xiàn)3D堆疊，對不同種類芯片進行異構(gòu)集成。臺積電則重點開發(fā)SoIC 技術(shù)。三星亦重金打造3D SiP系統(tǒng)級封裝。預(yù)計未來幾年中，3D封裝技術(shù)將成為半導(dǎo)體一線龍頭廠商之間競爭的焦點。

　　延續(xù)摩爾定律新途徑

　　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)模和更高的銷售收入。1965年，英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾預(yù)測，每18個月芯片集成的晶體管數(shù)量將實現(xiàn)翻倍，成本下降約一半。但是隨著產(chǎn)業(yè)進入更先進的加工技術(shù)節(jié)點，摩爾定律受到越來越大的挑戰(zhàn)，僅靠縮小線寬的辦法已經(jīng)無法同時滿足性能、功耗、面積以及信號傳輸速度等多方面的要求。在此情況下，越來越多的公司開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。

　　在第二屆中國系統(tǒng)級封裝大會上，華為硬件協(xié)同設(shè)計實驗室首席架構(gòu)師吳伯平表達的觀點也很相似。吳伯平表示，盡管封裝也在追趕摩爾定律的速度，但因為封裝有多樣性，封裝與摩爾定律的趨勢并非完全一致?，F(xiàn)在的趨勢之一就是把很多芯片封裝在一個大芯片內(nèi)，這種“組合”的方式是未來的大趨勢。

　　其實，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平臺的二維封裝的基礎(chǔ)上通過凸塊（Bumping）、硅通孔（TSV）等工藝，實現(xiàn)芯片間的互聯(lián)，推動芯片向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)換速度運轉(zhuǎn)而不增加能耗。同時，3D封裝還能更有效地利用硅片的有效區(qū)域。

　　不過，目前3D封裝技術(shù)還不成熟，在進行3D堆疊的過程中，芯片間的發(fā)熱一直存在問題，價格也是一個挑戰(zhàn)。目前3D封裝在存儲芯片上已有較多應(yīng)用，但在邏輯芯片上仍然極少有應(yīng)用。

　　巨頭競逐3D封裝

　　目前，英特爾、臺積電、三星等半導(dǎo)體大廠都對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，從而將更多的計算電路組裝到單個芯片上。英特爾表示，該技術(shù)提供了更大的靈活性，設(shè)計人員可以在新的產(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)計將從2019年下半年開始推出一系列采用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），實現(xiàn)裸片間的互聯(lián)，達到異構(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。

　　臺積電雖然定位于晶圓代工業(yè)務(wù)，對于先進封裝也極為重視，數(shù)年前便推出WLSI（Wafer-Level-System-Integration）技術(shù)平臺，應(yīng)對異構(gòu)集成趨勢。該平臺包括CoWoS封裝、InFO封裝等晶圓級封裝技術(shù)。2018年中期臺積電又推出了接近 3D封裝層次的多芯片堆疊技術(shù) SoIC，主要是針對 10nm 以下的工藝技術(shù)進行晶圓級接合。據(jù)DIGITIMES消息，臺積電內(nèi)部已經(jīng)把SoIC正式列入WLSI平臺，并稱一兩年內(nèi)采用SoIC封裝的產(chǎn)品將會商品化。另有消息稱，賽靈思與臺積電公司已經(jīng)就7nm工藝和3D IC技術(shù)開展合作，將共同打造其下一代All Programmable FPGA、MPSoC和3DIC。

　　在2018年舉行的三星晶圓代工論壇上，三星公布了在封測領(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)，同時計劃2019年推出3D SiP系統(tǒng)級封裝。三星的IC設(shè)計服務(wù)合作伙伴智原也在先進封裝工藝方面與其進行配合，提供與3D SiP 封裝工藝相對應(yīng)的方案。

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

　　專業(yè)封測廠面臨新挑戰(zhàn)

　　隨著3D封裝的重要性不斷提升，盡管英特爾、臺積電等均表示，開發(fā)3D封裝技術(shù)的主要目標(biāo)，并非要與專業(yè)封測代工廠（OSAT）競爭，但是這一趨勢必然會對原有產(chǎn)業(yè)格局造成影響。高通公司資深副總裁陳若文就表示，硅片級系統(tǒng)封裝（WLP）和3D系統(tǒng)集成的趨勢，強化了產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的內(nèi)在聯(lián)系，要求各個環(huán)節(jié)不再是割裂地單獨進行生產(chǎn)加工，而是要求從系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、前段工藝技術(shù)和封測各個環(huán)節(jié)開展更加緊密的合作。

　　由于3D封裝需要把不同工藝技術(shù)的裸片封裝在一個硅片級的系統(tǒng)里，這就產(chǎn)生了在硅片級進行芯片之間互聯(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封裝為代表的先進封裝市場將在2020年達到整體IC封裝服務(wù)的44%，年營收約為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。對此，市場研究公司Yole Development表示，先進封裝占比的提升，提升了封測廠在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位，也對封測廠提出新的挑戰(zhàn)。一方面，封測廠要積極應(yīng)對上游晶圓廠在中道技術(shù)方面的布局；另一方面，通過SiP技術(shù)開辟模組新的市場。但不論技術(shù)走向如何，封測技術(shù)在超越摩爾時代起到的作用將會大幅提升。

　　華進半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司總經(jīng)理曹立強也表示，現(xiàn)在先進封裝技術(shù)之所以越來越受到關(guān)注，是因為在整個集成電路制造產(chǎn)業(yè)中，封裝的作用會越來越突出，尤其是在未來集成化的發(fā)展和異質(zhì)集成概念出現(xiàn)之后。（記者 陳炳欣）

　　轉(zhuǎn)自：中國電子報
 

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