先进封装：成后摩尔时代提升性能的主要技术

本文来自“深度报告：大算力时代下先进封装大有可为（2023）”，重点分析了摩尔定律经济效能达到瓶颈，先进封装提升芯片系统性能、封装技术发展趋势：芯片性能不断提高、系统趋于小型化、先进封装的技术与形态根据需求不断迭代，多应用于高性能场景。

摩尔定律是指随着技术演进，芯片上容纳的晶体管数量会呈指数级增长，每1.5-2年翻一倍，同时带来芯片性能提升一倍或成本下降一半的效应。随着芯片制程工艺的不断发展，芯片上容纳的晶体管数量不断增加，但单位数量晶体管的成本下降幅度正在持续降低。根据IBS的统计及预测，从16nm到10nm，每10亿颗晶体管的成本降低了30.7%，从7nm到5nm成本下降了17.8%，而从5nm到3nm成本仅下降了4.2%。

先进封装成为超越摩尔定律、提升系统性能的关键路径之一。目前集成电路发展主要沿着两个技术路线进行，一个是摩尔定律的延伸，即向芯片小型化的方向发展，通过微缩半导体器件的晶体管尺寸以增加可容纳的晶体管数量，以单个芯片性能的提升为目标；另一个是超越摩尔定律，即以先进封装技术的发展为主要方向，将处理、模拟等多种芯片集成在一个系统内，实现系统级封装(System in Package, SiP)，以系统性能的提升为目标。 封装技术的发展史是芯片性能不断提高、系统不断小型化的历史。封装是半导体晶圆制造的后道工序之一，目的是支撑、保护芯片，使芯片与外界电路连接、增强导热性能等。封装技术的发展大致分为4个阶段：

第一、第二阶段（1990年以前）以DIP、SOP和LCC等技术为主，属于传统封装；第三阶段（1990至2000年）已经开始应用先进封装技术，这一阶段BGA、CSP和FC技术已开始大规模生产；第四阶段（2000年至今），先进封装技术从二维开始向三维拓展，出现了2.5D/3D封装、晶圆级封装、扇出型封装等封装技术。先进封装也称为高密度封装（HDAP，High Density Advanced Package），采用先进的设计和工艺对芯片进行封装级重构，并有效提升系统性能。相较于传统封装，先进封装具有引脚数量增加、芯片系统更小型化且系统集成度更高等特点。 先进封装技术的发展主要朝上游晶圆制程和下游模组两个方向。 1）向上游晶圆制程领域发展，该方向发展的技术即晶圆级封装，通过晶圆重构工艺在晶圆上完成重布线，并通过晶圆凸点工艺形成与外部互联的金属凸点以进行封装，该技术的特点是可以在更小的封装面积下容纳更多的引脚； 2）向下游模组领域拓展，即发展系统级封装技术，将以前分散贴装在PCB板上的多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片以及电容、电阻等元器件集成为一颗芯片，压缩模块体积、缩短电气连接距离，提升芯片系统整体功能性和灵活性。 先进封装的四要素是Bump、RDL、Wafer和TSV，具备四要素中任意一种技术即为先进封装。

1）Bump（金属凸点）技术，普遍应用于Flip-Chip（倒装焊）技术中，处于晶圆之间互联的位置，起着电气互联和应力缓冲的作用，其发展趋势是使金属凸点越来越小，直至发展为Hybrid Bonding（混合键合）技术，该技术制造的电介质表面光滑、没有凸点，且具有更高的集成密度； 2）RDL（重布线层）技术，用于X与Y平面电气延伸和互联，适用于为I/O端口进行宽松排布，广泛应用于WLP（晶圆级封装）技术和2.5D/3D技术中，但不适用于Flip-Chip技术； 3）Wafer（晶圆）技术，可以用作芯片的基底和WLP封装的载体，也可以与硅基板一同实现2.5D集成，技术发展趋势是使Wafer面积逐渐增大； 4）TSV（硅通孔）技术，用于Z轴电气互联，是实现多维立体结构封装的关键技术。 RDL和TSV使封装技术在X-Y-Z三维空间中具备延伸和发展的可能性。重布线层（RDL）技术使得晶圆级封装得以在X-Y平面进行延伸，诞生了WLCSP、FOWLP、INFO、FOPLP、EMIB等技术。基于硅通孔（TSV）技术，封装系统沿着Z轴进行延伸，实现了二维向三维的拓展，出现了2.5D和3D集成，并演变出CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等技术。 先进封装的技术与形态会根据应用侧需求不断变化与迭代。从WLP、SiP、2.5D/3D等技术方案出发，各厂商根据应用侧需求进一步迭代出更深层的技术。以晶圆级封装（WLP）技术为例，起初WLP技术采用Fan-in形态，随着引脚数要求增加，Fan-out形态逐渐成为主流；而后出于提升系统性能的目标，台积电将多个芯片Fan-out工艺集成起来，诞生了INFO技术；而从节省成本的角度出发，单个芯片的FOWLP技术又进一步迭代出面板级封装技术（FOPLP）。

先进封装技术能提升系统的功能密度，多应用于高性能场景。目前主流的先进封装技术主要由国际半导体龙头厂商研发，技术研发的维度从2D逐渐提升至2.5D和3D，系统的功能密度也随之提升。同时，先进封装主要应用于高性能计算、高端服务器等领域，因此产品技术壁垒与价值量相对传统封装会更高。

系统级封装（SiP）属于广义的先进封装，侧重于系统属性。SiP是指在封装内形成一个系统，关注系统在封装内的实现，所以系统是其重点关注的对象，与之对应的是CSP（单芯片封装）。但SiP并不是先进封装特定的某种技术方案，因为SiP可能采用传统的Wire Bonding工艺，也可能采用先进封装的Flip Chip工艺。但随着系统对性能、功耗、体积的要求越来越高，集成密度的需求也越来越高，SiP也会越来越多地采用先进封装工艺。在下方示意图中，SiP指代的是封装整体，Chiplet/Chip是封装中的单元，先进封装是由Chiplet/Chip组成的，2.5D和3D是先进封装的工艺手段。

Chiplet通过先进封装工艺实现。Chiplet也称为小芯片或芯粒，该技术通过将多个芯片裸片（Die）通过内部互联技术集成在一个封装内，构成专用功能的异构芯片。通过采用2.5D、3D等高级封装技术，Chiplet可实现多芯片之间的高速互联，提高芯片系统的集成度，扩展其性能、功耗优化的空间。相对SoC系统级芯片的传统设计方法，Chiplet技术方案不需要购买IP或者自研生产，只需要购买已经实现好的小硅片进行封装集成，且IP可以复用。所以Chiplet可以看成是一种硬核形式的IP，但它是以芯片的形式提供的。

3D Chiplet是Chiplet进一步的发展。3D Chiplet是由AMD在2021年6月首先提出的，通过3D TSV将Chiplet集成在一起，同时为了提高互联密度，采用了no Bump的垂直互联结构。目前3D Chiplet产品是由台积电以SoIC的先进封装技术进行代工，主要应用在3D V-Cache上，将包含有64MB L3 Cache的Chiplet以3D堆叠的形式与处理器封装在一起。