2.5D異構(gòu)和3D晶圓級堆疊正在重塑封裝產(chǎn)業(yè)

2.5D異構(gòu)和3D晶圓級堆疊正在重塑封裝產(chǎn)業(yè)。

堆疊：一種摩爾定律以外的高度集成替代方案

摩爾定律的放緩，為滿足行業(yè)大趨勢嚴格指標要求的新發(fā)明開辟了道路。在封裝領(lǐng)域，許多半導體廠商傾向于2.5D和3D堆疊技術(shù)，而硅通孔（TSV）是最早的堆疊技術(shù)之一。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和對MEMS的關(guān)注，它最終進入了許多應(yīng)用領(lǐng)域。如今，2.5D和3D堆疊技術(shù)已成為能夠滿足當前人工智能（AI）和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用性能需求的唯一解決方案。堆疊技術(shù)已被應(yīng)用于高、中、低端市場的各種硬件，包括3D堆疊存儲、圖形處理單元（GPU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和CMOS圖像傳感器（CIS）等。

各種應(yīng)用中先進堆疊封裝技術(shù)的市場機遇

高帶寬存儲（HBM）和CMOS圖像傳感器等硬件占據(jù)了TSV市場的大部分營收。堆疊技術(shù)整體市場規(guī)模將在2023年超過55億美元，在此期間的復(fù)合年增長率（CAGR）可達27%。對于目前來說，消費類市場是最大的細分市場，其市場份額超過了65%。但矛盾的是，這并不意味著消費類市場就是這些技術(shù)的主要驅(qū)動因素。事實上，高性能計算（HPC）是堆疊技術(shù)的真正驅(qū)動因素，在2019~2023年期間將呈現(xiàn)最快的增長速度，市場份額預(yù)計將從2018年的20%增長到2023年的40%，就封裝營收而言，這相當于2018年營收的6倍以上增長。相應(yīng)的，消費類市場份額將減少，而汽車、醫(yī)療和工業(yè)等其他市場將維持目前的市場份額。

2018~2023年按市場細分的堆疊技術(shù)營收

從TSV到晶圓級堆疊，封裝技術(shù)正在蓬勃發(fā)展

由于堆疊技術(shù)競爭主要集中在“TSV”和“無TSV（TSV-less）”之間進行，因此Yole在本報告中針對這兩類技術(shù)進行了分析。

對于目前的高端市場，市場上最流行的2.5D和3D集成技術(shù)為3D堆疊存儲TSV，以及異構(gòu)堆疊TSV中介層。Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWos）技術(shù)已經(jīng)廣泛用于高性能計算應(yīng)用，新的TSV技術(shù)將于2019年上市，即來自英特爾（Intel）的Foveros（基于“有源”TSV中介層和3D SoC技術(shù)，具有混合鍵合和TSV互連（可能）技術(shù)）。Foveros的出現(xiàn)表明，雖然“TSV”受到了來自“無TSV”技術(shù)的挑戰(zhàn)，但廠商仍然對它很有信心。

我們不能忽視“無TSV”技術(shù)在市場上的興起。這些創(chuàng)新可以劃分為“帶基板型（with substrate）”和“嵌入基板（embedded in substrate）”兩組。嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，是“嵌入基板”組的一種，其Si橋在基板中較深的位置。其他基板技術(shù)也正在開發(fā)中，但仍未上市，例如集成薄膜高密度有機封裝（I-THOP）和倒裝芯片-嵌入式中介層載具（FC-EIC）等。

左邊是業(yè)界標準2.5D封裝的芯片，右邊是英特爾EMIB封裝的芯片

圖片來源：《英特爾嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）》

“帶基板型”技術(shù)也用于TSV替代，例如基板上集成扇出型封裝（InFO），它廣泛用于蘋果公司（Apple）的處理器。此外，再分配層（RDL）中介層技術(shù)目前正在開發(fā)中，預(yù)計將在2020年上市。最后同樣需要注意的是，基板上扇出型芯片（Fan Out Chip on Substrate, FOCoS）于2016年開發(fā)并商業(yè)化，但似乎訂單并不多。

堆疊技術(shù)賦能的CMOS圖像傳感器發(fā)展路線圖

混合鍵合技術(shù)可以橋接“TSV”/“無TSV”這兩個主要技術(shù)類別。這項技術(shù)的獨特之處在于它可以同時成為TSV技術(shù)的挑戰(zhàn)者和支持者。自2016年以來，它一直被用于智能手機的CMOS圖像傳感器，并且在不久的將來，它將作為一種互連解決方案整合存儲和2.5D高端市場。

2018年“無TSV”堆疊技術(shù)概覽

誰在支持并投資堆疊技術(shù)？

各類不同的市場參與方都希望在不斷增長的55億美元堆疊市場中占有一席之地，目前主要有四種商業(yè)模式在堆疊業(yè)務(wù)領(lǐng)域參與競爭：代工廠、集成器件制造商（IDM）、外包半導體封測廠商（OSAT）和IP廠商。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，臺積電（TSMC）、聯(lián)華電子（UMC）和格芯（GlobalFoundries）等晶圓代工廠，主導了TSV異構(gòu)堆疊技術(shù)，因為它們有能力自己生產(chǎn)中介層。擁有“Foveros”技術(shù)的英特爾，是唯一一個試圖在這個領(lǐng)域參與競爭的IDM。

對于3D堆疊存儲，競爭主要在IDM“三巨頭”三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）之間，這些公司將繼續(xù)統(tǒng)治堆疊存儲市場。

同時，3D SoC是一種代工技術(shù)，很可能只有一家代工廠會生產(chǎn)它，以確保高良率并控制風險。在這方面，臺積電在上市時間的競爭中領(lǐng)先于格芯。

對于“無TSV”技術(shù)，競爭主要存在于代工廠、IDM、OSAT和基板制造商之間。三星、英特爾和臺積電等廠商，都參與了“有”和“沒有”TSV技術(shù)的開發(fā)。2016年，OSAT巨頭日月光（ASE）向市場引入了FOCoS技術(shù)，而安靠（Amkor）等其他廠商也已經(jīng)開發(fā)出了合適的技術(shù)，但仍然在等待訂單中。

日本新光（Shinko）、欣興電子（Unimicron）以及最近的富士通互連科技（Fujitsu Interconnect）等基板公司，仍然在研發(fā)中。IP廠商Xperi的混合鍵合技術(shù)處于“有TSV”和“無TSV”技術(shù)之間，預(yù)計將對市場產(chǎn)生積極影響。Xperi的另一個優(yōu)勢是其技術(shù)兼容高端和中/低端細分市場。

代工廠、IDM和IP廠商相比OSAT在堆疊技術(shù)方面有優(yōu)勢，因為后者在獲得訂單方面有困難。

主要堆疊技術(shù)及廠商概覽