芯片封裝技術(shù)重大突破，芯片封裝更簡(jiǎn)單

先進(jìn)封裝的前景是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)芯片集成，但是要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。

封裝正成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中最關(guān)鍵的一環(huán)，但卻難以實(shí)現(xiàn)技術(shù)和成本的兩全其美。

封裝的最初功能僅僅是為了保護(hù)內(nèi)部芯片不受環(huán)境因素影響，也僅有封裝能做到這一點(diǎn)。但是在先進(jìn)封裝節(jié)點(diǎn)，隨著使用不同工藝制程構(gòu)建的異構(gòu)集成元件，封裝正發(fā)揮著更廣泛也更具戰(zhàn)略性的作用。如今許多新型封裝技術(shù)以應(yīng)用為導(dǎo)向，也是系統(tǒng)架構(gòu)中不可或缺的組成部分。它們能夠幫助傳導(dǎo)熱量、提高性能、降低功耗，甚至可以保護(hù)信號(hào)完整性。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，先進(jìn)封裝技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)塑料或陶瓷封裝，是為了提高先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的可靠性而開發(fā)。多數(shù)情況下，它也是克服諸如熱、靜電等物理效應(yīng)受限的替代方法。對(duì)于多芯片封裝來說尤其如此，其中尤以三維（3D）封裝最為典型，它允許處理器使用高速連接來訪問位于它們上方或側(cè)面的存儲(chǔ)器。這種方法可能比通過7nm的細(xì)導(dǎo)線從大尺寸芯片的一端向另一端發(fā)送信號(hào)要快得多，但這種情況下，將會(huì)出現(xiàn)電阻過大從而引起熱量增加而聚集的問題。此外，該技術(shù)還允許芯片架構(gòu)師將存儲(chǔ)器封裝分散于整個(gè)封裝過程中，以避免資源爭(zhēng)用，而資源爭(zhēng)用則會(huì)為集中式存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)帶來布線問題。

但是，與SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）復(fù)雜的開發(fā)流程一樣，封裝技術(shù)也開始變得越來越復(fù)雜。雖然在過去幾年里，先進(jìn)封裝技術(shù)在服務(wù)器芯片市場(chǎng)和移動(dòng)電話領(lǐng)域一直不斷發(fā)展，但目前看來還沒有足夠的共性能占據(jù)主流市場(chǎng)。其中包括以下幾個(gè)主要原因：

（1）大多數(shù)采用先進(jìn)封裝技術(shù)的公司都在嘗試突破性能限制，但隨著摩爾定律演進(jìn)，功耗/性能優(yōu)勢(shì)下降，在此過程中他們遇到了很多困難。對(duì)這些公司而言，成本不是問題，性能和尺寸才是。

（2）幾乎早期的所有封裝都是定制化設(shè)計(jì)的，使用非標(biāo)準(zhǔn)的封裝方式。這需要芯片制造商、代工廠和/或封測(cè)廠商之間的密切合作。雖然該方法被證明是有效的，特別是對(duì)于移動(dòng)電話和網(wǎng)絡(luò)芯片等應(yīng)用領(lǐng)域，但這些封裝技術(shù)是使用非常特殊的元件為特定應(yīng)用而開發(fā)的。

（3）大多數(shù)主流芯片制造商，也就是指那些不處于前沿節(jié)點(diǎn)的制造商們，在已有的節(jié)點(diǎn)制程上的功耗/性能提升空間仍十分充足，而絕大多數(shù)芯片都是在這些節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的。這得益于代工廠一直積極地為這些節(jié)點(diǎn)增加選項(xiàng)，目前它們的成本仍遠(yuǎn)低于10/7nm甚至16/14nm節(jié)點(diǎn)工藝。但是隨著更多標(biāo)準(zhǔn)化封裝的出現(xiàn)，這種情況將會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)樾酒灸軌蚧旌虾推ヅ洳煌脑?/span>

關(guān)于哪項(xiàng)工藝在哪個(gè)領(lǐng)域能夠有效發(fā)展的共識(shí)開始顯露。在過去的幾年里，隨著封裝廠和代工廠使用不同的方法將芯片組裝在一起，封裝技術(shù)幾乎一直處于不斷變化的狀態(tài)。即使在相同類型的封裝方法中，例如扇出型封裝，也有芯片先裝和芯片后裝等不同的方法。同時(shí)，也可以在扇出時(shí)添加銅柱，就如在準(zhǔn)三維集成電路（quasi-3D-IC）配置中，在邏輯器件上添加內(nèi)存堆棧。

在2.5D封裝中，硅內(nèi)插器（silicon interposer）和有機(jī)內(nèi)插器（organic interposer）利用重新布線層（redistribution layer，RDL）中的互連橋或者英特爾的嵌入式多芯片互連橋接（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，EMIB），通過各類元器件達(dá)到異構(gòu)芯片之間的超快速封裝內(nèi)互連。詳見《英特爾嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）》。

“封裝技術(shù)現(xiàn)在是系統(tǒng)運(yùn)行的主要部分。”ANSYS首席技術(shù)專家Joao Geada說道，“我們現(xiàn)在已經(jīng)逼近經(jīng)濟(jì)成本上的極限，摩爾定律已趨近失效。當(dāng)需要建立大型系統(tǒng)時(shí)，不是把所有的資源都投入到某個(gè)單一工藝，現(xiàn)在的問題是選擇哪一個(gè)工藝最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠是我們需要考慮的。通常，在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)于該問題有多個(gè)答案。例如你可以通過將事物定位到適當(dāng)?shù)倪^程從而進(jìn)行優(yōu)化，但這也意味著你仍然希望保持與之前相同的近似足跡。所有這些都必須集成到單獨(dú)的封裝中。這就是為何會(huì)有層出不窮的新挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多這種假設(shè)是可以在不考慮環(huán)境因素的情況下，單獨(dú)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的行為而建立起來的，很有可能無法實(shí)現(xiàn)?！?/span>

實(shí)際上，分而治之的設(shè)計(jì)方法能夠?qū)⑼恍酒系哪K轉(zhuǎn)移到封裝中的芯片。雖然封裝可以減一些物理效應(yīng)，例如大尺寸芯片的片內(nèi)差異，但同時(shí)也帶來了一系列挑戰(zhàn)。

封裝技術(shù)層出不窮，哪一種最適合？

市場(chǎng)的強(qiáng)大需求也導(dǎo)致了人們對(duì)最佳封裝選擇的探索，系統(tǒng)公司、高校、設(shè)備制造商、代工廠和封裝公司在該領(lǐng)域的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。

“我們可以看到如今更先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、扇出型封裝和2.5D晶圓封裝的引入?！盫eeco全球光刻應(yīng)用副總裁Warren Flack表示，“它們是傳統(tǒng)倒裝芯片市場(chǎng)的佼佼者，并將繼續(xù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)?！?/span>

向更先進(jìn)的封裝的轉(zhuǎn)變帶來了幾項(xiàng)挑戰(zhàn)。例如，高密度的扇出型封裝需要更小的間距和更精細(xì)的重新布線層（RDL），在封裝過程中提到電連接的作用。最新的高密度扇出型封裝技術(shù)正在突破1μm線寬/間距（line/space）限制。擁有這些關(guān)鍵尺寸（critical dimension，CD），扇出技術(shù)將提供更好的性能及更優(yōu)的成本。

“具有較小CD的重新布線層能夠減少扇出型封裝中的重新布線層數(shù)。”Flack說道，“這又能降低總封裝成本，提高良率。目前，1μm RDL的需求量很低，但我們預(yù)計(jì)未來幾年將大幅增長(zhǎng)。”

在封裝中使用更精細(xì)的RDL CD帶來了一些挑戰(zhàn)，即光刻技術(shù)——一種在芯片和封裝結(jié)構(gòu)上形成細(xì)微特征圖案的方法。

“縮小特征圖案需要用較短波長(zhǎng)（i線或汞燈）進(jìn)行曝光，并需要較大的透鏡數(shù)值孔徑（Numerical Aperture，NA）?！盕lack說道，“這些先進(jìn)扇出型封裝未來面臨的主要光刻挑戰(zhàn)是以高縱橫比對(duì)亞微米R(shí)DL成像，最大限度地減少因芯片偏移、極端翹曲的襯底處理以及支持非常大的2.5D晶圓級(jí)封裝尺寸而產(chǎn)生的重合誤差。良率和生產(chǎn)率要求都促進(jìn)了采用先進(jìn)扇出型封裝技術(shù)的成本上升。只有非常高的ASP（平均銷售價(jià)格）設(shè)備才能負(fù)擔(dān)得起這種先進(jìn)的封裝技術(shù)。”

預(yù)計(jì)這種情況短期內(nèi)將會(huì)持續(xù)下去，但研發(fā)人員也正在努力為扇出型封裝和扇出型芯片組封裝技術(shù)提供同樣的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)在使用硅中介層的2.5D封裝技術(shù)更昂貴。例如，ASE報(bào)道稱其推出了一種名為“Fan Out Chip on Substrate”（FOCoS）的技術(shù)，可以支持高帶寬存儲(chǔ)器（High Bandwidth Memory，HBM2）。過去，只有2.5D封裝才能采用HBM，它也是堆疊式DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的封裝技術(shù)之一。ASE（日月光）同時(shí)還向大家展示了用于異構(gòu)和同構(gòu)服務(wù)器應(yīng)用以及人工智能芯片和裸片的技術(shù)。

“對(duì)于這些市場(chǎng)來說，F(xiàn)OCoS技術(shù)將是中介層解決方案的一種替代方案。”ASE工程部高級(jí)總監(jiān)John Hunt說道，“它可提供的解決方案成本較低，實(shí)際上比硅中介層結(jié)構(gòu)具有更好的電氣和熱性能?！?/span>

FOCoS封裝技術(shù)通過在典型球柵陣列基板上使用扇出復(fù)合芯片來實(shí)現(xiàn)，該基板與標(biāo)準(zhǔn)BGA（Ball Grid Arraye，球柵陣列封裝）和基于2.5D內(nèi)插器的封裝中所使用的基板類型基本一致。

圖1：FOCoS封裝技術(shù)

扇出型封裝技術(shù)在移動(dòng)市場(chǎng)也持續(xù)發(fā)酵。蘋果是首家將該技術(shù)合法化的大公司，iPhone 7上就首次使用了臺(tái)積電的集成扇出型（integrated fan-out，InFO）封裝技術(shù)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，蘋果目前正致力于在扇出型封裝的基礎(chǔ)研發(fā)銅柱技術(shù)，以提高性能。

移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)仍然是低密度和高密度扇出型封裝的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。但該封裝技術(shù)也符合1級(jí)和2級(jí)車規(guī)認(rèn)證要求，所以預(yù)計(jì)汽車行業(yè)也將有所增長(zhǎng)。

此外，還有許多關(guān)于整個(gè)行業(yè)都在開發(fā)3D-IC技術(shù)的報(bào)道。與扇出型封裝不同，在3D-IC技術(shù)中，存儲(chǔ)器堆疊在邏輯器件上，通過硅通孔（TSV）連接到硅中介層。

硅通孔也被用于硅內(nèi)插器中，它們正致力于在硅光子領(lǐng)域找到一席之地，可作為光信號(hào)的波導(dǎo)。雖然硅通孔尚未實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)對(duì)其的早期預(yù)測(cè)，但這類互連市場(chǎng)也正逐步增長(zhǎng)。

“隨著邏輯器件和存儲(chǔ)器客戶推動(dòng)采用這些技術(shù)以減小尺寸和改善性能，預(yù)計(jì)先進(jìn)封裝市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度將會(huì)加快。”科林研發(fā)（Lam Research）的常務(wù)董事Manish Ranjan表示，“先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)的初始階段是由銅柱和晶圓級(jí)封裝解決方案推動(dòng)的?？蛻衄F(xiàn)在采用高密度扇出、硅內(nèi)插器和3D封裝解決方案來提供不同的系統(tǒng)級(jí)性能。集成電路系統(tǒng)集成服務(wù)商（IDM）和系統(tǒng)級(jí)公司對(duì)新型封裝解決方案日益增長(zhǎng)的需求，證實(shí)了先進(jìn)封裝的戰(zhàn)略意義。”

材料替代哪家強(qiáng)？

更多的封裝技術(shù)研發(fā)即將到來，盡管并非所有的封裝都能貼上先進(jìn)封裝的標(biāo)簽。例如，需要考慮印刷及柔性電子技術(shù)的發(fā)展。在這些情況下，封裝可以采用柔性基板或使用3D打印機(jī)創(chuàng)建的材料。這些工藝大部分都采用添加劑，而不是在硅上刻蝕。

“你可以采用金屬聚合物印刷，形成可融合的復(fù)合材料?！盉rewer Science公司設(shè)備工程主任兼榮譽(yù)退休教授Ryan Giedd說道，“這樣效率更高，問題也更少。”

重量一直是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問題之一，因?yàn)橹亓吭捷p，每次充電后續(xù)航里程就更遠(yuǎn)，并且可以像膠帶一樣粘在柔性襯底上，比將多個(gè)芯片集成的多層印刷電路板輕得多。但是這項(xiàng)技術(shù)也剛剛起步。目前還沒有好的物理模型來準(zhǔn)確證明這些芯片在各種情況下的表現(xiàn)。

“這不同于硅基電子產(chǎn)品?！盙iedd說，“該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，每種影響都需要不同的模型。也許今天你就不能使用現(xiàn)成的軟件了。”

圖2：柔性印刷電路板

Chiplet模式問世

小芯片（Chiplet）概念在封裝領(lǐng)域興起，其基本思想是為各類元件創(chuàng)建即插即用的方式。Chiplet模式是為了標(biāo)準(zhǔn)化流程，以降低成本，使芯片制造商能夠更快地構(gòu)建系統(tǒng)。

第一家采用該模式的公司是美滿電子科技（Marvell）公司，該公司開發(fā)了Modular Chip （MoChi?）架構(gòu)，允許客戶從功能菜單中進(jìn)行選擇。該公司的網(wǎng)絡(luò)首席技術(shù)官Yaniv Kopelman說：“我們?cè)u(píng)估了眾多技術(shù)選項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)最好的方法是在多芯片組件（MCM）封裝中采用標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)襯底。該方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，所有的封測(cè)廠商都知道怎么操作。其次，芯片的數(shù)量或放置方式也沒有限制。最吸引人的優(yōu)勢(shì)還屬它的成本效益。該方法的唯一負(fù)面影響是帶寬有限，但在大尺寸器件上沒有那么重要?！?/span>

這一領(lǐng)域仍有許多其它研究正在進(jìn)行。例如，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的芯片項(xiàng)目（CHIPS）計(jì)劃旨在簡(jiǎn)化各種政府和商業(yè)應(yīng)用中復(fù)雜芯片的開發(fā)。此外，Marvell和Kandou Bus又是USR（Ultra Short Reach，超短距離連接）聯(lián)盟的成員，該聯(lián)盟正在開發(fā)一種將各種小芯片連接在一起的標(biāo)準(zhǔn)方法。除此之外，去年秋天該聯(lián)盟還創(chuàng)建了第三小組，命名為開放域特定體系結(jié)構(gòu)小組（Open Domain-Specific Architecture Workgroup）。該組成員包括格羅方德（GlobalFoundries）、Netronome、Achronix、Kandou Bus、恩智浦（NXP）、Sarcina和SiFive等。

“我們正在進(jìn)行開發(fā)概念驗(yàn)證?！盢etronome產(chǎn)品副總裁Ron Renwick說道，“目前Netronome正致力于研究連接RISC處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。我們還在開發(fā)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)規(guī)范，以及從知識(shí)產(chǎn)權(quán)角度來看如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的商業(yè)模式。該研究可以在6月底完成，之后我們將于9月份在阿姆斯特丹舉辦的開放計(jì)算項(xiàng)目峰會(huì)（Open Compute Project Summit）上展示這一概念?！?/span>

結(jié)論

封裝技術(shù)變得越來越重要和復(fù)雜，但同時(shí)在各種有助于降低成本的方法上，該領(lǐng)域也顯示出逐漸穩(wěn)定下來的跡象。各方勢(shì)力都在共同努力來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但這也不是唯一的前進(jìn)道路。

更多的討論和活動(dòng)也圍繞著結(jié)合歷史上尚未解決的技術(shù)展開，例如利用非先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)模擬器件和存儲(chǔ)器的封裝方式來完成5nm或3nm邏輯芯片封裝。隨著摩爾定律的演進(jìn)，開發(fā)周期變長(zhǎng)，開發(fā)成本也變高，這些節(jié)點(diǎn)的制程工藝開始受到限制。這將標(biāo)志著方向的巨大轉(zhuǎn)變，其影響將非常顯著。