探寻后摩尔时代 | 看先进封装如何完成“变小”角逐
编者按：过去的半个多世纪，半导体行业一直遵循摩尔定律的轨迹高速发展，如今单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求，半导体行业也逐步进入了“后摩尔时代”。后摩尔时代的来临，给中国集成电路产业发展带来新的发展机会，《中国电子报》推出“探寻后摩尔时代集成电路的颠覆性技术”系列报道，对集成电路潜在颠覆性技术进行梳理，探讨每一项技术的发展现状、产业难题、未来前景。敬请关注。
作为半导体产业链中的后道工序，与晶圆设计、晶圆制造相比，长久以来封装技术往往被视为半导体产业链中技术性最低的一道工序。与此同时，在芯片技术跟随摩尔定律发展的几十年间，人们习惯于通过缩小芯片制程，让芯片实现更先进的性能。而在即将到来的后摩尔时代，芯片先进制程逐渐突破物理极限，人们开始由先前的“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装随之浮出水面。
根据Yole预测，先进封装市场将在2022年时达到年营收约为329亿美元，市场规模预计2022年将超过传统封装规模。先进封装市场的营收将以6.6%的年复合增长率增长，而传统封装市场年复合增长率仅为1.1%。可见，后摩尔时代让封装技术摇身一变成为占领芯片技术高地的关键一环。
异质集成是先进封装技术的开端
“在先进封装行业继续向前发展之时，单纯的'封’和'装’已经不是其中的决定性因素，华丽转身的关键已经变成高度集成的'集’和高度互连的'连’。”中国半导体行业协会副理事长、长电科技董事兼首席执行长郑力说道。如今的先进封装技术无一不是围绕着高度集成的“集”和高度互连的“连”而展开的。
据了解，先进封装是在不要求提升芯片制程的情况下，实现芯片的高密度集成、体积的微型化，并降低成本，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演进的趋势。传统封装的功能主要在于芯片保护、尺寸放大、电气连接，先进封装在此基础上增加了提升功能密度、缩短互联长度、进行系统重构的三项新功能。
因此，在后摩尔时代，异制集成封装技术映入了人们的眼帘。中国科学院毛军发认为，与传统的摩尔定律相似，先进封装技术也同样遵循着一个类似摩尔定律的定律——系统集成定律，它指的是复杂电子系统中能够集成的芯片数量、元器件数量每18个月或者2年翻一倍，同时，功能也将提高一倍，成本下降一半。通过异制集成的方式，能够有效帮助先进封装技术在后摩尔时代继续遵循着系统集成定律。
毛军发介绍，所谓异制集成，是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件（芯片）、硅基低成本高集成器件/芯片（含光电子器件或芯片），与无源元件或天线，通过异质键合成或外延生长等方式集成。这是各种先进封装技术的起点和开端，诸多先进封装技术都是围绕异质集成技术开展的。
三种先进封装技术横空出世
如今，在异质集成封装技术的带领下，有三种先进封装技术横空出世，随着后摩尔时代的逐渐临近，先进封装技术的关注度也越来越高，应用范围也变得越来越广。
华进半导体封装先导技术研发中心有限公司副总经理、江苏省产业技术研究院半导体封装技术研究所常务副所长秦舒介绍，先进封装发展大致分为2.5D/3D封装技术、Fan-out封装技术和Chiplet封装技术。其中，3D硅通孔（TSV）和扇出晶圆级封装（Fan-out）将分别以23%和36%的年复合增长率速度成长；构成大多数先进封装市场的覆晶封装（Flip-chip）将以近5%的年复合增长率成长；而扇入型晶圆级封装（Fan-in WLP）的年复合增长率也将达到8%，主要由移动通信产业推动。
2.5D/3D封装技术。目前，高密度互连三维集成技术的市场规模较小，使用率较低，目前市场规模仍集中在2.5D领域，主要有台积电推出的CoWoS技术、英特尔推出的EMIB技术、三星提出的I-Cube技术，以及安靠/矽品提出的SLIM/SLIT技术。台积电推出的第三代CoWoS封装技术，已经协助台积电拿下芯片大厂NVIDIA、超微（AMD）、Google、Xilinx、海思等高端HPC芯片订单。应人工智能时代高性能计算芯片的需求，台积电第五代CoWoS封装技术也随之问世。
Fan-out封装技术。由于扇出型封装技术有很强的灵活性，世界上主流的研究机构、晶圆制造企业、封装企业和基板企业等都加入到这一领域的研发和竞争中。以英飞凌公司的技术为主导，星科金朋和Nanuium公司因为采用英飞凌公司的技术，市场份额较大。而台积电与苹果公司联手开发的In-FO技术，成功用于苹果A10处理器，迅速占领扇出封装市场，实现了量产化。除了台积电之外，STATSChipPAC将利用JCET的支持进一步投入扇出型封装技术的开发。ASE则和Deca Technologies建立了深入的合作关系，Amkor、SPIL及Powertech也正瞄准未来的量产布局扇出型封装技术。
Chiplet封装技术。在后摩尔时代，Chiplet概念逐渐成为集成电路产业讨论的热点。2018年，Intel推出其Chiplet解决方案Foveros，是一种采用3D堆叠的异构系统集成技术。该技术逻辑芯片和存储芯片等通过极细间距的微凸点集成到有源转接板上，利用转接板上的TSV进行联通。近期AMD、台积电联手研发的3D Chiplet面世，也引发了业内的广泛关注。
与此同时，Chiplet的封装技术也被视为如今中国与国外差距相对较小的先进封装技术，有望带领中国半导体产业在后摩尔时代实现质的突破。
若想华丽“转身”，还需更多技术迭代
尽管在后摩尔时代，先进封装技术是帮助半导体产业技术继续延伸的法宝，然而先进封装技术的发展也并非一帆风顺。先进封装技术的难点非常高，开发成本也非常高，而这些困难大大制约着先进封装技术的发展。
秦舒介绍，在先进封装技术中，硅转接板技术逐渐成为小尺寸芯片集成的重要解决方案。据了解，硅转接板是逻辑芯片、存储芯片，且未来可能和混合信号或模拟电路完成异质集成的关键基底，但硅转接板目前存在的成本问题大大限制了其进一步发展。因此众多厂商一直寻求硅转接板技术的替代解决方案，以提供相近的互连密度，这也成为了OSAT厂家在先进封装中重要的发展方向。
与此同时，在Chiplet封装技术中，秦舒介绍：“Chiplet的大规模应用面临着诸多挑战，如接口标准化、裸芯片见互连功耗过大以及高成本等都是未来需要业界解决的问题。”
此外，尽管Chiplet封装技术也是如今中国半导体产业在后摩尔时代实现飞跃的关键，但是仍有很多困难亟待解决。
业内知名专家莫大康同《中国电子报》记者表示，对于中国半导体产业而言，投身Chiplet产业主要面临三个困难。第一，从国际上Chiplet技术较为领先的企业来看，Chiplet技术并非由封装企业来主导，而是由Fabless企业主导，外加代工产业的大力支持。这是由于Chiplet技术涉及很多不同的产业，例如，涉及如何分割、分割后的联结、RDL技术、重新布线等等。而对于中国半导体产业而言，封装技术往往是由封装企业来主导，而仅封装厂来操作有一定的困难。第二，对于Chiplet技术而言，在更先进的工艺制程中使用时效果才会更为显著，例如，在7纳米制程中，利用Chiplet技术可分解成大概6~7个模块，但这7个模块里也许只有2个模块是7纳米，可见Chiplet技术在非先进制程中效果并不显著。而如今中国半导体产业成熟制程较为先进，而先进制程与国外相比仍有很大差距，所以Chiplet技术在中国实现大规模应用暂时比较困难。第三，Chiplet是一种联动性极强的技术，涉及到设计、封装、EDA多方面的技术，需要跨界人才来完成，对于人才培养而言，异常困难。
然而，这也并不代表中国半导体产业难以在Chiplet封装技术中占领“高地”，莫大康认为：“中国半导体产业发展Chiplet需要从三点下手。第一，要勇于实践与探索，不可白白丧失机会。可以从存储器、高端芯片等开始入手Chiplet技术，因为芯片价值越高，用Chiplet的效果越好。第二，中国半导体产业要加强联动性，加强从EDA、Fabless、Foundry及封装等各方面的联动，而不是仅仅由一方企业来引领Chiplet的技术。第三，加强培养跨界人才。无论是高校还是企业，对于人才培养不宜过于单一，要鼓励人才多面开花，学习不同领域的技术，从而大大推动产业的联动性发展，为Chiplet技术培养更多更全面的'后备军’。”
冰冻三尺非一日之寒，可见，先进封装技术若想在后摩尔时代彻底完成华丽的“转身“，还需要进行更多的技术迭代。
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