先进封装超越摩尔定律,晶圆厂和封测厂齐发力

文摘   2024-12-13 16:45   上海  












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后摩尔时代,先进封装获重视






芯片封装测试随半导体产业
发展重要性日渐提升



芯片封装和测试是芯片制造的关键一环。芯片封装是用特定材料、工艺技术对芯片进行安放、固定、密封,保护芯片性能,并将芯片上的接点连接到封装外壳上,实现芯片内部功能的外部延伸。芯片封装完成后,芯片测试确保封装的芯片符合性能要求。通常认为,集成电路封装主要有电气特性的保持、芯片保护、应力缓和及尺寸调整配合四大功能。


半导体产业垂直分工造就专业委外封装测试企业(OSAT。半导体企业的经营模式分为IDM(垂直整合制造)和垂直分工两种主要模式。IDM模式企业内部完成芯片设计、制造、封测全环节,具备产业链整合优势。垂直分工模式芯片设计、制造、封测分别由芯片设计企业(Fabless)、晶圆代工厂(Foundry)、封测厂(OSAT)完成,形成产业链协同效应。


封测行业随半导体制造功能、性能、集成度需求提升不断迭代新型封装技术。迄今为止全球集成电路封装技术一共经历了五个发展阶段。当前,全球封装行业的主流技术处于以CSP、BGA为主的第三阶段,并向以系统级封装(SiP)、倒装焊封装(FC)、芯片上制作凸点(Bumping)为代表的第四阶段和第五阶段封装技术迈进。


全球半导体封装行业保持稳定增长,先进封装市场规模将于2027年首次超过传统封装。根据SemiconductorEngineering预测,全球半导体封装市场规模将由2020年650.4亿美元增长至2027年1186亿美元,复合增长率为6.6%。先进封装复合增长率超过传统封装,有望于2027年市场规模超过传统封装,达到616亿美元。




后摩尔时代,先进封装获重视


先进制程的成本快速提升且接近物理极限,先进封装获重视。随着工艺制程进入10nm以下,芯片设计成本快速提高。根据International Business Strategies(IBS)的数据,16nm工艺的芯片设计成本为1.06亿美元,5nm增至5.42亿美元。同时,由于先进制程越来越接近物理极限,摩尔定律明显放缓,侧重封装技术的More than Moore路径越来越被重视。


台积电早已入局先进封装,近年约10%资本开支主要用于先进封装。台积电在追求先进制程的同时,早在2008年便成立集成互连与封装技术整合部门入局先进封装,目前已形成CoWoS、InFO、SoIC技术阵列。近年来,台积电每年资本开支中约10%投入先进封装、测试、光罩等。




2023年先进封装领域资本开支为99亿美元


2023年先进封装领域资本开支为99亿美元。根据Yole的数据,2023年先进封装领域资本开支为99亿美元,主要来自台积电、英特尔、三星、SK海力士等半导体大厂,以及安靠、日月光、长电科技等头部OSAT厂商。Yole预计2024年先进封装领域资本开支将增加到115亿美元。先进封装约占IDM/晶圆代工厂2023年资本开支的9%;约占头部OSAT资本开支的41%。




预计2023-2029年
全球先进封装营收CAGR为11%



2023-2029年全球先进封装营收CAGR为11%。根据Yole的预测,2023年全球先进封装营收为378亿美元,占半导体封装市场的44%,预计2024年将增长13%至425亿美元,2029年增长至695亿美元,CAGR达11%,其中2.5D/3D封装增速最快。从2019-2029年先进封装I/O间距和RDL线宽/线距的技术路线来看,呈缩小趋势。其中锡球I/O间距在300μm不变,RDL线宽/线距从>5/5μm缩小至>2/2μm,微凸块间距由80-40μm缩小至50-40μm。混合键合(Hybrid Bonding)使金属-金属、氧化物-氧化物面对面堆叠成为可能,可使凸块间距小于10μm,用在W2W(wafer-to-wafer和D2W(die-to-wafer中。




先进封装技术——FO、WLCSP


FO(Fan-Out,扇出型封装):基于晶圆重构技术,将切割后的好芯片重新放置在载板上,芯片间距离视需求而定,布线可在芯片内和芯片外,可提供更多的I/O数量,包括晶圆级扇出型(Fan-out Wafer Level Packaging,FOWLP和面板级扇出型(Fan-out Panel Level Packaging, FOPLP)。与之相对的FI(Fan-In,扇入型封装布线均在芯片尺寸内。


WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圆级芯片规模封装):将晶圆级封装(WLP)和芯片尺寸封装(CSP)合为一体的封装技术。WLP是直接在晶圆上进行大部分或全部的封装测试程序,之后再进行切割;与之相对的传统工艺是将单个芯片从晶圆上切割后再进行封装测试。CSP是指整个package的面积相比于silicon总面积不超过120%的封装技术。




先进封装技术——2.5D/3D


2.5D封装:将多个芯片通过中介层(Interposer)连接,提高XY面密度,可以在保持性能的同时降低成本、提高良率,具有更好的灵活性和可扩展性。3D封装:直接在芯片上打孔和布线,实现Z方向的芯片堆叠和连接。目前在存储领域应用较多。TSV(Through Silicon Via,硅通孔)技术可以实现硅片内部垂直电互联,是实现2.5D、3D先进封装的关键技术之一。相比平面互连,TSV可减小互连长度和信号延迟,降低寄生电容和电感,实现芯片间低功耗和高速通信。




先进封装技术——SiP


SiP(System in Package,系统级封装):根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义,SiP是将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。SiP封装内部可能用到倒装芯片、芯片堆叠、晶圆级封装等多种封装技术。




Chiplet是后摩尔时代的重要路径


Chiplet(芯粒/小芯片):指预先制造好、具有特定功能、可组合集成的晶片(Die),可以组合起来创建更大的系统或集成到现有芯片中,允许系统设计人员混合和匹配不同的芯片功能,以创建定制和优化的解决方案。相比SoC,具有更高的灵活性、可扩展性和模块化。根据martket.us的预测,全球Chiplet市场规模将由2023年的31亿美元增长至2033年的1070亿美元,CAGR约42.5%。从产品来看,2023年CPU Chiplet占比超过41%。





晶圆厂依靠前道工艺优势
入局先进封装




晶圆制造厂在先进封装中的地位领先。先进封装,尤其是高端封装的实现越来越依赖前道技术,混合键合技术(Hybrid Bonding,通过直接铜对铜的连接方式取代凸点或焊球互连)正成为一种新趋势。台积电、英特尔和三星等晶圆厂优势突出,凭借先进封装需求走高,2023年台积电、英特尔、三星封装收入分别位列全球第三到第五。




先进封装布局——台积电


2008年台积电成立集成互连与封装技术整合部门,专门研究先进封装技术,重心发展扇出型封装InFO、2.5D封装CoWoS和3D封装SoIC。2011年推出CoWoS,2012与赛灵思在FPGA上合作量产;2014年投入InFO研发,2016年获得苹果A10订单;2018年公开SoIC技术,2022年量产,AMD是首发客户。2020年台积电宣布将其2.5D和3D封装产品合并为一个全面的品牌3DFabric技术,进一步将制程工艺和封装技术深度整合;2022年宣布成立台积电开放创新平台(OIP®)3DFabric联盟,以进一步加速3D IC生态系统的创新及完备。


CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate):一种2.5D封装技术, 根据中介层的不同,台积电CoWoS封装技术包括CoWoS-S(Silicon Interposer)、CoWoS-R(RDL Interposer)以及CoWoS-L(Local Silicon Interconnect and RDL Interposer)三种类型。英伟达H100、A100、B100采用台积电CoWoS技术。TrendForce预计台积电2024年CoWos总产能增长150%,年底达到月产能接近40K,2025年再增长7成,其中英伟达需求占比近半。




先进封装布局——三星


2022年12月,三星电子在半导体业务部门内成立先进封装(Advanced Packaging,AVP)业务团队,以加强先进封装技术,并在各业务部门之间创造协同效应;2024年7月AVP业务团队重组为AVP开发团队,目的是抢占2.5D、3D等新封装技术。AVP团队可为客户和产品量身定制先进封装技术和解决方案,并将其商业化。同时特别致力于开发基于RDL(重布线层)、Si Interposer(硅中介层)/Bridge(硅桥接)和TSV(硅通孔)堆叠技术的下一代2.5D和3D高级封装解决方案。2023年三星成立MDI(多芯片集成)联盟。




先进封装布局——英特尔


英特尔希望到2030年实现单个封装中集成1万亿个晶体管的目标。EMIB(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge):2.5D封装技术,不含中介层,通过嵌入基板的硅桥实现芯片直接的连接。Foveros:3D封装技术,2019年推出的Lakefield首次采用Foveros封装。英特尔预计2025年3D封装产能将是2023年的4倍。





OSAT厂商发力先进封装
以获取价值增量






先进封装布局——日月光


2022年日月光推出VIPack先进封装平台,由六大核心技术组成,提供垂直互联集成封装解决方案。此平台利用先进的重布线层(RDL制程、嵌入式整合以及2.5D/3D封装技术,协助客户在单个封装中集成多个芯片来实现创新未来应用。


FOCoS(Fan-Out Chip on Substrate):可将不同的芯片封装在高脚数BGA基板上,包括FOCoS-CF(Chip First)和FOCoS-CL(Chip Last)两种。FOCoS-Bridge:通过桥接硅芯片连接不同芯片。FOPoP(Fan-Out Package on Package):结合扇出式底部封装和标准顶部封装,底部封装有两个RDL(顶部和底部,利用电镀铜柱实现穿模垂直互连。FOSiP(Fan-Out System in Package):扇出型系统级封装。




先进封装布局——长电科技


倒装封装技术:长电科技提供丰富的倒装芯片产品组合,从搭载无源元器件的大型单芯片封装,到模块和复杂的先进3D封装,包含多种不同的低成本创新选项。长电科技提供从设计到生产的全方位一站式倒装芯片服务,包括高速、高引脚数的数字和射频测试。晶圆级封装技术:长电科技提供的晶圆级技术解决方案包括扇入型晶圆级封装(FIWLP、扇出型晶圆级封装(FOWLP、集成无源器件(IPD、硅通孔(TSV、包封芯片封装(ECP、射频识别(RFID。长电科技的创新晶圆级制造方法称为FlexLineTM方法,为客户提供了不受晶圆直径约束的自由,同时实现了传统制造流程无法实现的供应链简化和成本降低。




先进封装布局——通富微电


2021年公司在高性能计算领域建成了2.5D/3D封装平台(VISionS)及超大尺寸FCBGA研发平台。截至2023年底,通富微电超大尺寸2D+封装技术、3D堆叠封装技术、大尺寸多芯片chip last封装技术已验证通过;SiP产品方面实现国内首家WB分腔屏蔽技术研发及量产;通过高导热材料开发满足FCBGA大功率产品高散热需求。通富微电将大力投资2D+等先进封装研发,积极拉通Chiplet市场化应用,提前布局更高品质、更高性能、更先进的封装平台,不断强化与客户的深度合作,拓展先进封装产业版图。


来源:未来智库




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