先進封裝技術(shù)的演進過程

文章來源：半導(dǎo)體綜研 原文作者：關(guān)牮 JamesG

半導(dǎo)體芯片封裝的目的無非是要起到對芯片本身的保護作用和實現(xiàn)芯片之間的信號互聯(lián)。在過去的很長時間段里，芯片性能的提升主要是依靠設(shè)計以及制造工藝的提升。

隨著半導(dǎo)體芯片的晶體管結(jié)構(gòu)進入到FinFET時代，工藝節(jié)點的進步呈現(xiàn)明顯的趨緩形勢。雖然根據(jù)行業(yè)的發(fā)展路線圖，工藝節(jié)點的迭代還有很大的上升空間，但我們能夠明顯感覺到摩爾定律的減緩，以及生產(chǎn)成本暴增帶來的壓力。

由此，通過改革封裝技術(shù)來進一步挖掘性能提升的潛力成為一個非常重要的手段。好幾年前開始，行業(yè)內(nèi)就出現(xiàn)了通過先進封裝的技術(shù)來實現(xiàn) “超越摩爾（More than Moore）”的口號。

所謂先進封裝，一般行業(yè)內(nèi)的常用定義就是：所有利用前道制造的工藝方法的封裝技術(shù)。

通過先進封裝的手段，我們可以：

大幅度縮小封裝后芯片的面積

無論是多個芯片的合封，還是單個芯片的Wafer Level化封裝，都可以明顯降低封裝尺寸以減小整個系統(tǒng)板的使用面積。利用封裝手段縮小芯片面積在經(jīng)濟上要比提升前道工藝來得更為劃算。

容納更多芯片的I/O端口數(shù)量

由于前道工藝方法的引入，我們可以利用RDL技術(shù)使得單位面積的芯片上能夠容納更多的I/O管腳，從而減少芯片面積的浪費。

降低芯片綜合制造成本

由于引入Chiplet的方案，我們可以比較容易地將多個不同功能、不同工藝技術(shù)/節(jié)點的芯片合封到一起，形成一個系統(tǒng)集成芯片（SIP）。這樣就可以避免所有功能和IP都必須采用同一種（最高工藝）的高成本方法。

提升芯片間的互聯(lián)能力

隨著大算力需求的提升，在很多應(yīng)用場景里都需要計算單元（CPU、GPU...）和DRAM做大量的數(shù)據(jù)交換。這往往會導(dǎo)致整個系統(tǒng)幾乎有一半的性能和功耗浪費在信息交互上。現(xiàn)在我們通過各種2.5D/3D封裝，將處理器和DRAM盡可能近的連接在一起，就可以將這種損耗降低到20%以內(nèi)，從而大幅度降低計算的成本。這種效率的提升遠遠超過了通過采用更先進制造工藝帶來的進步。

下圖是先進封裝技術(shù)的演進過程

在Flipchip階段，封裝的方式還比較接近于傳統(tǒng)技術(shù)路線（我多數(shù)時候其實是把Flipchip當(dāng)作傳統(tǒng)封裝來對待的）。 而從下圖可以看到，相對于傳統(tǒng)封裝，WLCSP（FanIn）的方法就和傳統(tǒng)有著明顯的區(qū)別：用前道技術(shù)直接對晶圓進行加工（RDL+凸塊）后再直接切割形成芯片。

而當(dāng)芯片上的I/O端口越來越多，以至于芯片有限面積無法直接容納這么多管腳的時候，在原來WLCSP（Fan-In）的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了FanOut技術(shù)：通過封裝材料擴大芯片面積來容納更多管腳。而且這樣一來，多芯片的合封也成為了可能。

當(dāng)然，封裝技術(shù)的發(fā)展并未在此止步。隨著大算力芯片的技術(shù)和市場需求的高速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)又開始開發(fā)了2.5D和3D技術(shù)：

2.5D：通過Interposer（通常以硅基板為主要材料）將處理器和HBM（High Bandwidth Memory）進行高密度和高效率互聯(lián)。其中最有名的就是最近因為人工智能而火出圈的臺積電的CoWoS封裝技術(shù)。

3D：直接將不同芯片在Z軸方向上堆疊，通過TSV等方法實現(xiàn)更高效率互聯(lián)。

審核編輯：湯梓紅