先進封裝是在不要求提升芯片制程的情況下，實現(xiàn)芯片的高密度集成、體積的微型化，并降低成本，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進的趨勢。傳統(tǒng)封裝的功能主要在于芯片保護、電氣連接，先進封裝在此基礎(chǔ)上增加了提升功能密度、縮短互聯(lián)長度、進行系統(tǒng)重構(gòu)的三項新功能。在后摩爾時代，人們開始由先前的“如何把芯片變得更小”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾伟研酒獾酶　?，先進封裝成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展重點。


先進封裝成為后摩爾時代發(fā)展趨勢

隨著5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、視覺識別、自動駕駛等應(yīng)用場景的快速興起，應(yīng)用市場對芯片功能多樣化的需求程度越來越高。在芯片制程技術(shù)進入“后摩爾時代”后，先進封裝技術(shù)能在不單純依靠芯片制程工藝實現(xiàn)突破的情況下，通過晶圓級封裝和系統(tǒng)級封裝，提高產(chǎn)品集成度和功能多樣化，滿足終端應(yīng)用對芯片輕薄、低功耗、高性能的需求，同時大幅降低芯片成本。因此，先進封裝在高端邏輯芯片、存儲器、射頻芯片、圖像處理芯片、觸控芯片等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。

以系統(tǒng)級封裝為例，現(xiàn)階段，以智能手機為代表的移動消費電子領(lǐng)域是系統(tǒng)級封裝最大的下游應(yīng)用市場，占了系統(tǒng)級封裝下游應(yīng)用的70%。根據(jù)Yole預(yù)測，未來5年，系統(tǒng)級封裝增長最快的應(yīng)用市場將是可穿戴設(shè)備、Wi-Fi路由器、IoT物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施以及電信基礎(chǔ)設(shè)施。尤其隨著5G通訊的推廣和普及，5G基站對倒裝球柵陣列（FC-BGA）系統(tǒng)級封裝芯片的需求將大幅上升，未來5年基站類系統(tǒng)級芯片市場規(guī)模年均復(fù)合增長率預(yù)計高達41%。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷成熟，全球集成電路行業(yè)進入新一輪的上升周期，封測行業(yè)受益市場規(guī)模持續(xù)增長。根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2021年全球集成電路封測行業(yè)市場規(guī)模為670億美元，同比增長3.87%，2017-2021年復(fù)合增長率為2.97%，預(yù)計2022年市場規(guī)模有達到670億美元。在中國，受益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國大陸轉(zhuǎn)移，中國封測市場快速發(fā)展。根據(jù)中國半導(dǎo)體協(xié)會數(shù)據(jù)，2021年中國封測產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模為2743.44億元，2017-2021年，中國大陸封測產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模復(fù)合增長率為9.9%，增速高于全球。

從先進封裝占比來看，隨著半導(dǎo)體封測市場規(guī)模持續(xù)增長，全球先進封裝占比持續(xù)提升，根據(jù)YOLE數(shù)據(jù)，2021年全球先進封裝占比已經(jīng)達到45%，近年來先進封裝市場規(guī)模增速要明顯高于傳統(tǒng)封裝增速。我國先進封裝滲透率低，但隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，近年來，國內(nèi)廠商通過兼并收購，快速積累先進封裝技術(shù)，目前封測廠商技術(shù)平臺基本做到與海外同步，大陸先進封裝產(chǎn)值占全球比例也在逐漸提升，由2015年的10.3%增長至2020年的14.8%。預(yù)計我國先進封裝產(chǎn)值占全球比重有望進一步提高，2022年將達到16.8%。


先進封裝需求火爆

據(jù)TrendForce及臺媒援引摩根士丹利報告，英偉達認(rèn)為臺積電的CoWoS產(chǎn)能不會限制下一季度H100的出貨量，預(yù)計明年每個季度的供應(yīng)量都會增加。

此外，臺積電正在著手將急單的CoWoS價格提高20%，這也暗示著，困擾整個產(chǎn)業(yè)鏈已久的CoWoS產(chǎn)能瓶頸有望得到緩解。

臺積電之前是英偉達CoWoS封裝的主力供應(yīng)商，但由于需求飆升，臺積電產(chǎn)線即便開足馬力也難以填補供需鴻溝。為此，臺積電正積極擴產(chǎn)CoWoS，包括竹南、龍?zhí)逗团_中三地工廠；2023年其CoWoS產(chǎn)能至少12萬片，2024年將達24萬片，而英偉達將取得約15萬片（1片可切約25顆）

另外，英偉達首席財務(wù)官Colette Kress近期透露，英偉達在CoWoS封裝等關(guān)鍵制程已開發(fā)并認(rèn)證其他供應(yīng)商產(chǎn)能，預(yù)期未來數(shù)季供應(yīng)可逐步攀升，英偉達持續(xù)與供應(yīng)商合作增加產(chǎn)能。

有日本機構(gòu)分析師指出，英偉達自二季度末以來，一直在積極推動建立非臺積電的CoWoS供應(yīng)鏈。參與廠商中，晶圓代工廠聯(lián)電負(fù)責(zé)前段CoW部分的硅中介層供貨，封測廠Amkor、日月光投控旗下矽品則負(fù)責(zé)后段WoS封裝。

而日前，多家CoWoS供應(yīng)商已傳出新進度。

據(jù)臺灣電子時報消息，日月光正在為其高雄工廠向英偉達申請CoW段封裝認(rèn)證。該公司此前曾表示，正積極開發(fā)先進封裝技術(shù)，目前也已跟晶圓廠合作中介層相關(guān)技術(shù)，并具備CoWoS整套制程的完整解決方案，預(yù)計今年下半年或明年初量產(chǎn)。

聯(lián)電之前已計劃將硅中介層產(chǎn)能擴充一倍，近日再度將擴產(chǎn)幅度追加至兩倍以上——硅中介層月產(chǎn)能將由目前的3 kwpm（千片／每月）擴增至10kwpm，明年產(chǎn)能有望與臺積電并駕其驅(qū)。

Amkor也已提出明確的“類CoWoS”先進封裝產(chǎn)能擴充計劃。封測業(yè)內(nèi)人士透露，2023年初Amkor 2.5D先進封裝月產(chǎn)能約3000片，預(yù)期2023年底、2024年上半提升到5000片，2024年底力拼7000片的倍數(shù)成長水準(zhǔn)。

Chiplet帶動封裝市場增長

在Chiplet技術(shù)上，中國與國外差距相對較小。

Chiplet產(chǎn)業(yè)鏈涉及IP、EDA、封測代工以及相關(guān)設(shè)備和材料廠商，主要有四個重要角色：EDA供應(yīng)商、IP廠商、Fab廠、封裝廠。

其中龍頭Fab廠主導(dǎo)Chiplet技術(shù)路線。Fab廠商龍頭臺積電是Chiplet工藝的全球領(lǐng)軍者，旗下3DFabric平臺擁有CoWoS、InFO、SoIC三種封裝工藝（由于Chiplet技術(shù)涉及芯片的堆疊，因此臺積電將其命名為3DFabric技術(shù)）。

三星也擁有類似方案，三星I-Cube和H-Cube是類似臺積電CoWoS的2.5D方案，三星X-Cube是類似臺積電SoIC的3D堆疊工藝。

此外，封裝廠商也將受益于Chiplet技術(shù)崛起。

中國封測產(chǎn)業(yè)有一大批知名企業(yè)，如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技、偉測科技、利揚芯片等。

其中，長電科技、通富微電和華天科技占據(jù)全球前十大外包封測廠的三席。

國內(nèi)封裝龍頭積極布局先進封裝，如長電科技的XDFOI、通富微電的VISionS、華天科技的3D Matrix。

長電科技于2021年正式推出面向Chiplet（小芯片）的高密度多維異構(gòu)集成技術(shù)平臺XDFOI，涵蓋2D、2.5D、3DChiplet集成技術(shù)。

2023年1月，公司宣布實現(xiàn)國際客戶4nm節(jié)點Chiplet產(chǎn)品出貨。該方案采用有機RDL Interposer，可集成放置一顆或多顆邏輯芯片（CPU/GPU等）等，目前RDL方案已經(jīng)量產(chǎn)。

對于Chiplet，長電科技認(rèn)為，該技術(shù)是先進封裝走到今天必然會出現(xiàn)的一種封裝形式，也是在近未來會成為所有主流封裝廠標(biāo)配的封裝形式之一，未來Chiplet封裝在市場上的份量及規(guī)模會越來越大。

但是Chiplet應(yīng)用還處于起步階段，不管是國際客戶還是國內(nèi)客戶，需要一定的設(shè)計開發(fā)周期及應(yīng)用開發(fā)周期。隨著AI 等下游應(yīng)用興起，在未來三五年Chiplet會在高性能計算、人工智能、邊緣計算等終端領(lǐng)域呈現(xiàn)越來越多的應(yīng)用。


Intel闡述未來封裝技術(shù)

Intel就一直在深入研究各種先進封裝技術(shù)，部分已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，比如EMIB、Foveros，部分已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，比如Foveros Omni、Foveros Direct。

Intel的先進封裝技術(shù)，一方面能夠提升芯片互連密度，在單個封裝中集成更多功能單元，目標(biāo)是到2030年在單個設(shè)備內(nèi)集成1萬億個晶體管。

另一方面，它們可以滿足Intel自家產(chǎn)品、代工客戶產(chǎn)品的異構(gòu)集成需求，讓不同供應(yīng)商、不同工藝打造的芯粒（Chiplet）更好地協(xié)同工作，提高靈活性和性能，降低成本和功耗。


一、EMIB

意思是“嵌入式多芯片互連橋接”，原理就像蓋四合院，把不同的芯片放在同一塊平面上相互連接。

傳統(tǒng)的2.5D封裝是在芯片和基板間的硅中介層上進行布線，EMIB則是通過一個嵌入基板內(nèi)部的單獨的芯片完成互連，可將芯片互連的凸點間距縮小到45微米，改善設(shè)計的簡易性，并降低成本。

二、Foveros

3D封裝技術(shù)，原理上也不復(fù)雜，就是在垂直層面上，一層一層地堆疊獨立的模塊，類似建摩天大樓一樣。

就像大廈需要貫通的管道用于供電供水，F(xiàn)overos通過復(fù)雜的TSV硅穿孔技術(shù)，實現(xiàn)垂直層面的互連。

Foveros最早用于Lakefiled處理器，目前正在和EMIB聯(lián)手用于各類產(chǎn)品，最典型的就是Ponte Vecchio GPU加速器，使用了5種不同工藝、47個不同芯粒。


三、Foveros Omni

下一代封裝技術(shù)，可實現(xiàn)垂直層面上大芯片、小芯片組合的互連，并將凸點間距繼續(xù)縮小到25微米。


四、Foveros Direct

使用銅與銅的混合鍵合，取代會影響數(shù)據(jù)傳輸速度的焊接，把凸點間距繼續(xù)縮小到10微米以下，從而大幅提高芯片互連密度和帶寬，并降低電阻。

Foveros Direct還實現(xiàn)了功能單元的分區(qū)，使得模塊化設(shè)計配置靈活、可定制。

2021年底，Intel還展示了最新的混合鍵合(hybrid bonding)，將互連間距繼續(xù)微縮到驚人的3微米，實現(xiàn)了準(zhǔn)單片式的芯片。也就是說，整合封裝后的互聯(lián)密度、帶寬都非常接近傳統(tǒng)的單片式芯片，不同芯粒之間連接更加緊密。


總結(jié)

芯片封裝技術(shù)正處于歷史性的機遇之中，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需要加速發(fā)展先進封裝技術(shù)，抓住這一機遇，以在后摩爾時代取得領(lǐng)先地位。同時，全球半導(dǎo)體行業(yè)也將繼續(xù)致力于異構(gòu)集成電路等先進封裝技術(shù)的研發(fā)，以推動半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。這個領(lǐng)域充滿了挑戰(zhàn)，但也充滿了希望，未來將會有更多創(chuàng)新涌現(xiàn)，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷前進。