先進封裝標準要統(tǒng)一，芯片三巨頭誰答應？

作者：暢秋

最近，有專家呼吁業(yè)界盡早統(tǒng)一封測技術(shù)標準，特別是先進封裝。

SEMI日本辦事處總裁Jim Hamajima表示，芯片行業(yè)需要更多后端生產(chǎn)流程的國際標準，以使英特爾和臺積電等晶圓廠能夠更有效地提高產(chǎn)能。

當前，臺積電、英特爾等公司都在建設自家的先進芯片封裝技術(shù)體系和生態(tài)系統(tǒng)，都在使用不同的標準，這樣的話，生產(chǎn)效率并不高。Jim Hamajima表示，包括芯片封裝和測試在內(nèi)的后端工藝比芯片制造的前端工藝（如光刻）更加“分裂”，而光刻等前端工藝廣泛使用了SEMI制定的標準。他認為，隨著公司追求更強大的芯片，這可能會影響行業(yè)的利潤水平。

?01芯片制造門檻高，標準易統(tǒng)一

芯片制造是半導體產(chǎn)業(yè)門檻最高的板塊，投資高、玩家少。目前，在先進制程芯片制造領(lǐng)域，僅剩下臺積電、三星和英特爾這三家了。芯片制造過程需要2000多道工序，可以分為8大步驟，包括：

光刻，它是通過曝光和顯影程序，把光罩上的圖形轉(zhuǎn)換到光刻膠下面的晶圓上，光刻主要包含感光膠涂布、烘烤、光罩對準、曝光和顯影等程序。

曝光方式包括：紫外線、極紫外光、X射線、電子束等?？涛g，它是將材料使用化學反應或物理撞擊作用而移除的技術(shù)，干法刻蝕（dry etching）利用等離子體撞擊晶圓表面所產(chǎn)生的物理作用，或等離子體與晶圓表面原子間的化學反應，或者兩者的復合作用，濕法刻蝕（wet etching）使用的是化學溶液，經(jīng)過化學反應達到刻蝕的目的。化學氣相沉積（CVD）。物理氣相沉積（PVD）。離子注入（Ion Implant）?；瘜W機械研磨（CMP）。清洗。晶圓切割（Die Saw）。

2000多道工藝流程中蘊藏著晶圓廠的智慧、核心技術(shù)和雄厚的財力，技術(shù)含量非常高，且需要長年的積累，并不是購買了先進的設備，就能造出合格的芯片。當然，先進的設備也很重要，巧婦難為無米之炊嘛。

由于投資巨大，技術(shù)含量非常高，特別是較為先進的制程工藝，企業(yè)進入的資金和技術(shù)門檻高，使得玩家比較少，而且，隨著先進制程發(fā)展到3nm、2nm，門檻就更高了，且向前發(fā)展和演進的難度超高，僅有的幾個玩家做起來也很吃力。在這種情況下，很難出現(xiàn)百花齊放的局面，統(tǒng)一標準就相對容易，且能使用較長時間。

?02封裝測試新標準之爭

封裝測試是芯片生產(chǎn)的最后一環(huán)，多數(shù)情況下，封裝測試的技術(shù)含量和實現(xiàn)難度比前端的芯片制造低。但芯片封裝也是有標準的，這些標準相對較多，且變化也比前端的芯片制造標準快，特別是芯片正朝著高集成度、小特征尺寸和高I/O方向發(fā)展，對封裝技術(shù)提出了更高要求，隨著SiP及先進封裝技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，需要重新定義芯片的封裝和測試。

與此同時，由于前端芯片制造面臨技術(shù)和工藝發(fā)展瓶頸（如摩爾定律的失效），使后端封裝成為晶圓大廠眼中的決勝關(guān)鍵，近年來，各大晶圓廠都在積極投資研發(fā)先進封裝技術(shù)。

綜上，前端芯片制造工藝難以突破，后端的封裝又相對容易，這兩大因素共同促使新封裝技術(shù)和標準涌現(xiàn)。全球范圍內(nèi)，先進封裝的市場份額在2022年達到了47.2%，先進封裝市場的增速超過了傳統(tǒng)封裝，預計到2026年，先進封裝的市場份額將提升至50.2%。這種增長主要得益于AI和高性能計算領(lǐng)域的旺盛需求，這些領(lǐng)域?qū)Ω呒啥?、高性能?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E4%BD%8E%E5%8A%9F%E8%80%97/">低功耗芯片有著巨大的需求。

目前，先進封裝技術(shù)仍然以倒裝芯片（Flip-Chip）為主，3D堆疊和嵌入式基板封裝（ED）的增長速度也非常快。此外，其它先進封裝技術(shù)，如扇出型封裝（Fan-Out）和晶圓級封裝（WLCSP）也在市場上占據(jù)重要位置。這些封裝技術(shù)在提高芯片性能和減少封裝尺寸方面具有顯著優(yōu)勢，廣泛應用于智能手機和其它移動設備。

目前，先進封裝應用最火的就是HBM內(nèi)存。HBM通過邏輯芯片和多層DRAM堆疊來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，每層之間通過硅通孔（TSV）和微凸點連接，突破了帶寬瓶頸，成為Al訓練芯片的首選。HBM內(nèi)部的DRAM堆疊屬于3D封裝，而HBM與其它部分合封于硅中介層，屬于2.5D封裝。

在高科技產(chǎn)業(yè)，一流企業(yè)制定標準，二流企業(yè)執(zhí)行標準。半導體業(yè)是典型代表。在先進芯片封裝技術(shù)方面，大廠不僅遵守行業(yè)內(nèi)的執(zhí)行標準，還要超越這些標準，形成自己獨特的標準和工藝，它們正在積極制定一系列規(guī)范和要求，包括工藝流程、設備參數(shù)、材料選擇、質(zhì)量控制等。這可以反映出芯片制造企業(yè)的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，有益于贏得客戶、提升競爭力。還有一點很重要，那就是與傳統(tǒng)封裝測試工藝不同，先進封裝的關(guān)鍵工藝需要在前端芯片制造平臺上完成，是前道工序的延伸。這顯然是臺積電、三星和英特爾等晶圓大廠的先天優(yōu)勢，因此，它們開發(fā)先進封裝工藝就更加順理成章了。

目前來看，在先進封裝技術(shù)商業(yè)化方面，臺積電起步早，市場影響力也最大。當下，火爆的HBM內(nèi)存主要采用臺積電的CoWoS封裝技術(shù)。CoWoS是臺積電于2012年研發(fā)的一種2.5D封裝技術(shù)，可分為CoW（chip on wafer）和oS（on substrate）兩步，CoW是將計算核心、I/O die、HBM等裸片封裝在硅中介層上，然后再把CoW裸片整體封裝在基板（Substrate)上，即oS環(huán)節(jié)。CoWoS可以節(jié)省空間，實現(xiàn)HBM所需的高互聯(lián)密度和短距離連接；還能將不同制程的芯片封裝在一起，在滿足Al、GPU等加速運算的需求的同時控制成本。

據(jù)Omdia統(tǒng)計，,2023年第三季度，英偉達售出近50萬個A100和H100芯片，得益于人工智能和高性能計算的需求，英偉達當季在數(shù)據(jù)中心硬件上獲得了145億美元的收入。除了英偉達，AMD的最新AI GPU產(chǎn)品MI300也要采用臺積電的CoWoS（2.5D）和SolC（3D）封裝技術(shù)。龐大的需求量導致CoWoS產(chǎn)能供不應求。除了CoWoS，臺積電還在開發(fā)新的封裝技術(shù)，據(jù)報道，該晶圓代工龍頭已經(jīng)組建了專門的團隊，切入專業(yè)封裝測試廠（OSAT）過去多年來一直開發(fā)的FOPLP（Fan-out Panel Level Package）封裝技術(shù)。

臺積電開發(fā)的FOPLP可以看作是矩形CoWoS封裝，目前主要針對以英偉達為主的AI GPU領(lǐng)域，具有單位成本更低、封裝尺寸更大等優(yōu)勢。未來還可以進一步整合臺積電3D Fabric平臺上的其它技術(shù)，為2.5D/3D先進封裝解決方案服務于高端產(chǎn)品應用鋪路。

看到臺積電在先進封裝市場搞得風生水起，三星和英特爾要加把勁兒了。三星、英特爾也意識到了問題，紛紛投入新一代先進封裝技術(shù)的開發(fā)工作。目前，三星自研的先進封裝技術(shù)和服務包含I-Cube（2.5D），以及X-Cube（3D）等。對于智能手機或可穿戴設備等需要低功耗內(nèi)存的應用，三星已提供面板級扇出型封裝和晶圓級扇出型封裝平臺。三星的I-Cube封裝技術(shù)有多個版本，其中，I-Cube S是一種異構(gòu)技術(shù)，將一塊邏輯芯片與一組HBM裸片水平放置在一個硅中介層上，可實現(xiàn)高算力、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸及低延遲，I-Cube E技術(shù)采用硅嵌入結(jié)構(gòu)，擁有PLP（面板級封裝技術(shù)）大尺寸、無硅通孔結(jié)構(gòu)的RDL中介層等特點。H-Cube是一種混合載板結(jié)構(gòu)，將ABF載板和 HDI（高密度互連）技術(shù)相結(jié)合，可在I-Cube 2.5D封裝中實現(xiàn)較大封裝尺寸。英特爾正在推廣其嵌入式多芯片互連橋（EMIB）2.5D封裝技術(shù)。結(jié)構(gòu)簡單、信號干擾低是EMIB的主要優(yōu)勢，應用這一技術(shù)，封裝過程中無需制造覆蓋整個芯片的硅中介層，以及遍布在硅中介層上的大量硅通孔，使用較小的硅橋在裸片間進行互聯(lián)即可。與普通封裝技術(shù)相比，EMIB由芯片I/O至封裝引腳連接并未發(fā)生變化，無需再通過硅通孔或硅中介層進行走線。這種架構(gòu)和工藝，不僅可以降低不同裸片間的傳輸延時，還減少了信號傳輸干擾。由于三星和英特爾的先進制程（5nm以下）市場影響力和商業(yè)化水平明顯弱于臺積電，在這種情況下，對前端芯片制造工藝和平臺依賴度很高的先進封裝技術(shù)，就很難打開局面，賺錢能力有限。由于先進封裝的市占率越來越大，晶圓廠又有先天發(fā)展優(yōu)勢，這就使傳統(tǒng)OSAT封測廠有些尷尬，發(fā)展腳步不如臺積電那么順暢。臺積電在先進封裝領(lǐng)域的強勢地位，促使其將更多資源投向先進封裝技術(shù)和服務，以進一步鞏固市場地位。這可能會使OSAT企業(yè)的機會越來越少。

日月光投控、安靠科技等傳統(tǒng)OSAT大廠并不會坐以待斃。就廣義上的先進封裝而言，傳統(tǒng)OSAT依然占據(jù)著較大的市場份額，據(jù)Yole統(tǒng)計，2022年，先進封裝市場，OSAT的市場份額為65.1%，IDM的市場份額為22.6%，晶圓代工廠的市場份額為12.3%。其中，日月光占比最高，達到25.0%，安靠占比12.4%，臺積電占比12.3%，三星占比9.4%，英特爾占比6.7%。然而，IDM和晶圓代工廠主攻高端3D封裝，而OSAT普遍較為傳統(tǒng)，主攻中低端倒裝、晶圓級封裝，這在AI用處理器和HBM內(nèi)存快速發(fā)展的當下，發(fā)展的勢在IDM和晶圓代工廠一邊，要想趕上發(fā)展潮流，OSAT封測廠必須將更多資源投向高端封裝工藝和服務。

以封測龍頭企業(yè)日月光為例，正在開發(fā)新的封裝技術(shù)，如扇出型基板上晶圓封裝（FOCoS）。FOCoS是一種安裝在高引腳數(shù)球柵陣列 (BGA) 基板上的扇出封裝倒裝芯片技術(shù)，扇出封裝具有重新分布層（RDL），允許在多個芯片之間構(gòu)建更短芯片到芯片 (D2D) 互連，倒裝芯片安裝到BGA基板上。

FOCoS-CF由兩個面朝下的ASIC小芯片組成，通過Cu通孔直接與RDL連接，硅裸片和扇出RDL之間沒有微凸塊。FOCoS-CL中，ASIC裸片和兩個HBM通過RDL和Cu微凸塊連接。FOCoS-Bridge使用硅橋芯片嵌入扇出RDL層連通ASIC和HBM。為了趕上先進封裝熱潮，日月光投控財務長董宏思指出，面對當前市場的需求，將增加2024年的資本支出，在2023年15億美元的基礎上提高一倍。其中，封裝支出占比約53%，測試支出占比約38%。先進封裝是投資重點。

?03中國大陸封測廠加緊跟上

在先進封裝發(fā)展如火如荼的當下，中國大陸相關(guān)企業(yè)也在開發(fā)相關(guān)技術(shù)，爭取跟上產(chǎn)業(yè)發(fā)展腳步。長電科技是中國大陸封裝行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，該公司正在開發(fā)XDFOI技術(shù)（2.5D超高密扇出型封裝）。

該封裝技術(shù)可以將不同功能的裸片整合在系統(tǒng)封裝內(nèi)，特別適用于對集成度和算力要求較高的應用，如FPGA、CPU、GPU和5G網(wǎng)絡芯片。XDFOI技術(shù)不僅可以提高集成度，還可以提升性能和功率效率。通富微電的VISionS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多層布線，將不同工藝和功能的Chiplet小芯片高密度集成，提供晶圓級和基板級封裝解決方案。該公司已經(jīng)實現(xiàn)了堆疊NAND Flash和LPDDR封裝的量產(chǎn)，其3D存儲封裝技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

華天科技推出了3D Matrix技術(shù)，集成了硅通孔、eSiFo（Fan-out）和3D SIP等先進封裝技術(shù)，F(xiàn)an-out技術(shù)通過在基板上刻蝕挖槽，將芯片放置在凹槽內(nèi)，再進行重新布線和封裝，顯著提高了封裝密度和性能。此外，華為、比亞迪半導體、阿里巴巴等產(chǎn)業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)上的企業(yè)，在封裝設計、應用和市場推廣等方面發(fā)揮著重要作用。