摩爾定律即將終結(jié) 又將迎來怎樣的后時(shí)代？

1. 前言

摩爾定律作為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的金科玉律，一直屹立于科技發(fā)展的前沿，給整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈指明了非常明晰的發(fā)展方向，可謂厚澤萬物。但近些年，由于IC制造過程中使用的光刻技術(shù)（Photolithography）相對于摩爾定律顯得相對滯后，IC業(yè)界給予厚望的EUV(Extreme UltraViolet)光刻設(shè)備也在緊鑼密鼓的研發(fā)中，技術(shù)成熟度尚達(dá)不到量產(chǎn)的水平，使得IC制造成本在晶圓節(jié)點(diǎn)（Wafer Node）不斷縮小的情況下，成本呈現(xiàn)指數(shù)增長；另一方面，2017年，蘋果A11/A10X、高通驍龍835、三星Exynos 8895、華為Kirin970和聯(lián)發(fā)科Helio X30蓄勢待發(fā)，晶圓節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)展到10nm量產(chǎn)的階段，已經(jīng)非常接近FinFET制程的物理極限5nm，也即即便EUV光刻設(shè)備可以量產(chǎn)使用，也無法改變摩爾定律即將死亡的趨勢。那接下來電子制造行業(yè)該何去何從？業(yè)界和學(xué)界也給出了比摩爾定律更為多元化的答案：more moore（深度摩爾，IC制造角度的摩爾定律）和more than moore（超越摩爾，IC封裝角度的摩爾定律），見圖1：

圖 1 后摩爾定律時(shí)代Roadmap

何謂深度摩爾（more moore，IC制造角度的摩爾定律），是延續(xù)CMOS（FinFET）的整體思路，在器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、連接導(dǎo)線、高介質(zhì)金屬柵、架構(gòu)系統(tǒng)、制造工藝等等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，沿著摩爾定律一路scaling（每兩到三年左右，晶體管的數(shù)目翻倍），見圖2 Logic IC的roadmap：

圖 2 Wafer Node Roadmap

目前深度摩爾一般適用于數(shù)字電路，如智能手機(jī)中的處理器（AP）和基帶芯片（Base Band），均屬于SoC的范疇。前面我們也提到，由于FinFET的物理極限是5nm，那么發(fā)展到5nm后如何繼續(xù)呢？那就必須打破FinFET的結(jié)構(gòu)和材料限制，開發(fā)和研究新的Transistor（switch）形式，如Tunneling FET（TFET）、Quantum Cellular Automata (QCA) 、SpinFET等，也即圖1中所謂的Beyond CMOS。

何謂超越摩爾（more than moore，IC封裝角度的摩爾定律），主要側(cè)重于功能的多樣化，是由應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的。之前集成電路產(chǎn)業(yè)一直延續(xù)摩爾定律而飛速發(fā)展，滿足了同時(shí)期人們對計(jì)算、存儲的渴望與需求。但芯片系統(tǒng)性能的提升不再靠單純的暴力晶體管scaling，而是更多地依靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化，同時(shí)集成度的提高不一定要靠暴力地把更多模塊放到同一塊芯片上，而是可以靠封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)集成。模擬/射頻/混合信號模塊等不需要最先進(jìn)工藝的模塊可以用較成熟且廉價(jià)的工藝實(shí)現(xiàn)（比如為模擬射頻工程師所喜聞樂見的65nm），而數(shù)字模塊則可以由先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)，不同模塊可以用封裝技術(shù)集成在同一封裝中，而模塊間的通訊則使用高速接口。這種集成方式即異質(zhì)集成(heterogeneous integration)，是目前在工業(yè)界和學(xué)界都非?；鸬腟iP，不但可以減低成本，而且可以更加集成化，見圖3（b）。智能手機(jī)中的射頻前端模塊、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊和NFC模塊等模擬電路均適用于超越摩爾的情景。

回頭再看摩爾定律的兩個(gè)方向，無非就是SoC和SiP的差異，一個(gè)是IC設(shè)計(jì)角度,一個(gè)是IC封裝角度，見圖3，也可是數(shù)字電路與模擬電路的差異。這樣，再去理解SoC和SiP何其簡單。

圖 3 SoC與SiP

那我們再把視線從理論預(yù)測轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，作為消費(fèi)電子時(shí)代的弄潮兒蘋果公司自然是大家討論技術(shù)走向的焦點(diǎn)。隨著蘋果公司發(fā)布iPhone 10周年的臨近，紀(jì)念版iPhone的消息更是紛至沓來，讓人目不暇接，其最新技術(shù)走向更是值得大家分析揣測。

首先就是2016年9月iPhone 7的A10 Fusion首次采用TSMC 16nm 的InFoWLP封裝技術(shù)，完全取代了以往的FCCSP的封裝技術(shù)，而今年9月即將發(fā)布的紀(jì)念版iPhone A11將采用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術(shù)，而與之對應(yīng)的主板則會革命性地將載板的精細(xì)線路制造技術(shù)MSAP導(dǎo)入PCB行業(yè)，重新定義了電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，由于原來的IC制造（TSMC）?IC封裝（ASE）+IC載板?SMT（Foxconn）+PCB的制造流程改為IC制造（TSMC）? SMT（Foxconn）+PCB，也即把IC封裝融入IC制造，PCB直接代替IC載板。那我們不難發(fā)現(xiàn)，這種是基于深度摩爾由于AP 升級（16nm至10nm）而帶來的革命性改變。

其次是蘋果Apple Watch的發(fā)布，其最具特色的就是S1芯片（見圖4）的封裝技術(shù)，即SiP封裝技術(shù)（System in Package），不但把AP應(yīng)用處理器（已經(jīng)集成了SRAM內(nèi)存）、NAND閃存、各種傳感器、特殊用途芯片、IO及功耗管理IC封裝到了一起，而且還把其他被動(dòng)原件均集成在一塊載板上，在這里其主板客串了兩個(gè)角色：IC載板和PCB主板，其整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈也由傳統(tǒng)的IC制造（TSMC）?IC封裝（ASE）+IC載板?SMT（Foxconn）+PCB縮短為IC制造（TSMC）?IC封裝（ASE）+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，并采用IC載板代替PCB主板。從此我們也不難看出，這種就是基于超越摩爾由于封裝技術(shù)的革新而帶來的革命性整合。

圖 4 Apple Watch S1

從以上蘋果公司最新的技術(shù)應(yīng)用分析，我們可以看出，蘋果、臺積電、日月光和富士康四親兄弟分別代表著IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封裝和SMT四個(gè)領(lǐng)域正忠實(shí)地沿著深度摩爾和超越摩爾的路線前行，引領(lǐng)者整個(gè)電子制造行業(yè)的發(fā)展與變革，同時(shí)也潛移默化地影響著PCB制造者和IC載板制造者。作為PCB制造的從業(yè)者，更需要擦亮眼睛，做到envision it，enable it，只有這樣才能永葆。下面我將從IC封裝和IC載板技術(shù)方面談起，更詳細(xì)地介紹Fan-Out WLP、SLP和SiP，為PCB產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展和遠(yuǎn)景規(guī)劃提供建議。