先進(jìn)封裝——從2D，3D到4D封裝

電子集成技術(shù)分為三個(gè)層次，芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級(jí)集成，其代表技術(shù)分別為SoC，SiP和PCB（也可以稱為SoP或者SoB）。

芯片上的集成主要以2D為主，晶體管以平鋪的形式集成于晶圓平面；同樣，PCB上的集成也是以2D為主，電子元器件平鋪安裝在PCB表面，因此，二者都屬于2D集成。而針對(duì)于封裝內(nèi)的集成，情況就要復(fù)雜的多。

電子集成技術(shù)分類的兩個(gè)重要判據(jù)：1.物理結(jié)構(gòu)，2.電氣連接(電氣互連)。

目前先進(jìn)封裝中按照主流可分為2D封裝、2.5D封裝、3D封裝三種類型。

2D封裝

2D封裝是指在基板的表面水平安裝所有芯片和無源器件的集成方式。2D封裝上包括FOWLP、FOPLP等技術(shù)。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均安裝在基板平面，芯片和無源器件和 XY 平面直接接觸，基板上的布線和過孔均位于 XY 平面下方；電氣連接：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）

臺(tái)積電的InFO：

臺(tái)積電在2017年開發(fā)的InFO技術(shù)。InFO技術(shù)與大多數(shù)封裝廠的Fan-out類似，可以理解為多個(gè)芯片F(xiàn)an-out工藝的集成，主要區(qū)別在于去掉了silicon interposer，使用一些RDL層進(jìn)行串連（2016年推出的iPhone7中的A10處理器，采用臺(tái)積電16nm FinFET工藝以及InFO技術(shù)）。

日月光的eWLB：與臺(tái)積的InFO類似，都屬于Fan-out技術(shù)

另外，還有一種2D+ 集成

2D+集成是指的傳統(tǒng)的通過鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會(huì)有人問，芯片堆疊不就是3D嗎，為什么要定義為2D+集成呢？

主要基于以下兩點(diǎn)原因：

1）3D集成目前在很大程度上特指通過3D TSV的集成，為了避免概念混淆，我們定義這種傳統(tǒng)的芯片堆疊為2D+集成；

2）雖然物理結(jié)構(gòu)上是3D的，但其電氣互連上均需要通過基板，即先通過鍵合線鍵合到基板，然后在基板上進(jìn)行電氣互連。這一點(diǎn)和2D集成相同，比2D集成改進(jìn)的是結(jié)構(gòu)上的堆疊，能夠節(jié)省封裝的空間，因此稱之為2D+集成。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接觸基板，基板上的布線和過孔均位于XY平面下方；

電氣連接：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）

2.5D封裝：

2.5D封裝通常是指既有2D的特點(diǎn)，又有部分3D的特點(diǎn)，其中的代表技術(shù)包括英特爾的EMIB、臺(tái)積電的CoWoS、三星的I-Cube。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和無源器件安裝在中介層上（Interposer），在XY平面的上方有中介層的布線和過孔，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。
電氣連接：中介層（Interposer）可提供位于中介層上的芯片的電氣連接。

2.5D集成的關(guān)鍵在于中介層Interposer，一般會(huì)有幾種情況，1）中介層是否采用硅轉(zhuǎn)接板，2）中介層是否采用TSV，3）采用其他類型的材質(zhì)的轉(zhuǎn)接板；在硅轉(zhuǎn)接板上，我們將穿越中介層的過孔稱之為TSV，對(duì)于玻璃轉(zhuǎn)接板，我們稱之為TGV。

所謂的TSV 指的是：

硅中介層有TSV的集成是最常見的一種2.5D集成技術(shù)，芯片通常通過MicroBump和中介層相連接，作為中介層的硅基板采用Bump和基板相連，硅基板表面通過RDL布線，TSV作為硅基板上下表面電氣連接的通道，這種2.5D集成適合芯片規(guī)模比較大，引腳密度高的情況，芯片一般以FlipChip形式安裝在硅基板上。

有TSV的2.5D集成示意圖：

硅中介層無TSV的2.5D集成的結(jié)構(gòu)一般如下圖所示，有一顆面積較大的裸芯片直接安裝在基板上，該芯片和基板的連接可以采用Bond Wire或者Flip Chip兩種方式，大芯片上方由于面積較大，可以安裝多個(gè)較小的裸芯片，但小芯片無法直接連接到基板，所以需要插入一塊中介層（Interposer），在中介層上方安裝多個(gè)裸芯片，中介層上有RDL布線，可將芯片的信號(hào)引出到中介層的邊沿，然后通過Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV，只需要通過Interposer上表面的布線進(jìn)行電氣互連，Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。

無TSV的2.5D集成示意圖：

英特爾的EMIB：

概念與2.5D封裝類似，但與傳統(tǒng)2.5D封裝的區(qū)別在于沒有TSV。也正是這個(gè)原因，EMIB技術(shù)具有正常的封裝良率、無需額外工藝和設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)

臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)也是一種2.5D封裝技術(shù)。根據(jù)中介層的不同可以分為三類，一種是CoWoS_S使用Si襯底作為中介層，另一種是CoWoS_R使用RDL作為中介層，第三種是CoWoS_L使用小芯片（Chiplet）和RDL作為中介層。

臺(tái)積電InFO（2D）與CoWoS（2.5D）之間的區(qū)別在于，CoWoS針對(duì)高端市場，連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大；InFO針對(duì)性價(jià)比市場，封裝尺寸較小，連線數(shù)量也比較少。

第一代CoWoS主要用于大型FPGA。CoWoS-1的中介層芯片面積高達(dá)約800mm2，非常接近掩模版限制。第二代CoWoS通過掩模拼接顯著增加了中介層尺寸。臺(tái)積電最初符合1200mm2的要求，此后將中介層尺寸增加到1700mm2。這些大型封裝稱為CoWoS-XL2。

最近，臺(tái)積電公布的第五代CoWoS-S的晶體管數(shù)量將增加20倍，中介層面積也會(huì)提升3倍。第五代封裝技術(shù)還將封裝8個(gè)128G的HBM2e內(nèi)存和2顆大型SoC內(nèi)核。

長電科技XDFOI技術(shù)：

相較于2.5D TSV封裝技術(shù)，具備更高性能、更高可靠性以及更低成本等特性。該解決方案在線寬或線距可達(dá)到2um的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多層布線層，另外，采用了極窄節(jié)距凸塊互聯(lián)技術(shù)，封裝尺寸大，可集成多顆芯片、高帶寬內(nèi)存和無源器件。

三星的I-Cube

三星的具有的先進(jìn)封裝包括I－Cube、X－Cube、R－Cube和H－Cube四種方案。其中，三星的I-Cube同樣也屬于2.5D封裝。

3D封裝：

3D封裝和2.5D封裝的主要區(qū)別在于：2.5D封裝是在Interposer上進(jìn)行布線和打孔，而3D封裝是直接在芯片上打孔和布線，電氣連接上下層芯片。3D集成目前在很大程度上特指通過3D TSV的集成。

3D集成和2.5D集成的主要區(qū)別在于：2.5D集成是在中介層Interposer上進(jìn)行布線和打孔，而3D集成是直接在芯片上打孔（TSV）和布線（RDL），電氣連接上下層芯片。

物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均位于XY平面上方，芯片堆疊在一起，在XY平面的上方有穿過芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。

電氣連接：通過TSV和RDL將芯片直接電氣連接

3D集成大多數(shù)應(yīng)用在同類芯片堆疊中，多個(gè)相同的芯片垂直堆疊在一起，通過穿過芯片堆疊的TSV互連，如下圖所示。同類芯片集成大多應(yīng)用在存儲(chǔ)器集成中，例如DRAM Stack，F(xiàn)LASH Stack等。

同類芯片的3D集成示意圖：

不同類芯片的3D集成中，一般是將兩種不同的芯片垂直堆疊，并通過TSV電氣連接在一起，并和下方的基板互連，有時(shí)候需要在芯片表面制作RDL來連接上下層的TSV。

臺(tái)積電的SoIC技術(shù)：

臺(tái)積電SoIC技術(shù)屬于3D封裝，是一種晶圓對(duì)晶圓(Wafer-on-wafer)的鍵合技術(shù)。SoIC技術(shù)是采用TSV技術(shù)，可以達(dá)到無凸起的鍵合結(jié)構(gòu)，把很多不同性質(zhì)的臨近芯片整合在一起，而且當(dāng)中最關(guān)鍵、最神秘之處，就在于接合的材料，號(hào)稱是價(jià)值高達(dá)十億美元的機(jī)密材料。

SoIC技術(shù)將同質(zhì)和異質(zhì)小芯片集成到單個(gè)類似SoC的芯片中，具有更小尺寸和更薄的外形，可以整體集成到先進(jìn)的WLSI（又名CoWoS和InFO）中。從外觀上看，新集成的芯片就像一個(gè)通用的SoC芯片，但嵌入了所需的異構(gòu)集成功能。

英特爾的Foveros技術(shù)：

從3D Foveros的結(jié)構(gòu)上看，最下邊是封裝基底，之上安放一個(gè)底層芯片，起到主動(dòng)中介層的作用。在中介層里有大量的TSV 3D硅穿孔，負(fù)責(zé)聯(lián)通上下的焊料凸起，讓上層芯片和模塊與系統(tǒng)其他部分通信。

三星的X-Cube 3D封裝技術(shù)：

使用TSV工藝，目前三星的X-Cube測(cè)試芯片已經(jīng)能夠做到將SRAM層堆疊在邏輯層之上，通過TSV進(jìn)行互聯(lián)，制程是他們自家的7nm EUV工藝。

長電科技的擴(kuò)展eWLB：

長電科技基于eWLB的中介層可在成熟的低損耗封裝結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高密度互連，提供更高效的散熱和更快的處理速度。3D eWLB互連（包括硅分割）是通過獨(dú)特的面對(duì)面鍵合方式實(shí)現(xiàn)，無需成本更高的TSV互連，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)高帶寬的3D集成。

華天科技的3D-eSinC解決方案：

華天科技稱，2022年將開展2.5D Interpose FCBGA、FOFCBGA、3D FOSiP等先進(jìn)封裝技術(shù)，以及基于TCB工藝的3D Memory封裝技術(shù)，Double Sidemolding射頻封裝技術(shù)、車載激光雷達(dá)及車規(guī)級(jí)12英寸晶圓級(jí)封裝等技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。

4D 集成：

物理結(jié)構(gòu)：多塊基板以非平行方式安裝，每塊基板上都安裝有元器件，元器件安裝方式多樣化。電氣連接：基板之間通過柔性電路或者焊接連接，基板上芯片電氣連接多樣化。

基于剛?cè)峄宓?D集成示意圖：

4D集成定義主要是關(guān)于多塊基板的方位和相互連接方式，因此在4D集成也會(huì)包含有2D，2D+，2.5D，3D的集成方式

先進(jìn)封裝設(shè)備類似前道晶圓制造設(shè)備，供應(yīng)商受益先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)業(yè)增長。隨著先進(jìn)封裝的發(fā)展，Bumping(凸塊)、Flip(倒裝) 、TSV 和 RDL(重布線)等新的連接形式所需要用到的設(shè)備也越先進(jìn)。以長球凸點(diǎn)為例，主要的工藝流程為預(yù)清洗、UBM、淀積、光刻、焊料 電鍍、去膠、刻蝕、清洗、檢測(cè)等，因此所需要的設(shè)備包括清洗機(jī)、PVD 設(shè)備、***、 刻蝕機(jī)、電鍍?cè)O(shè)備、清洗機(jī)等，材料需要包括光刻膠、顯影劑、刻蝕液、清洗液等。為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，互通有無，歡迎芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、裝備、材料等產(chǎn)業(yè)鏈上下游加入艾邦半導(dǎo)體先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)鏈交流群。

審核編輯 ：李倩