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半导体

延续摩尔定律,IC巨头发力先进封装

设计、制造、封测是半导体产业链最主要的环节,其中封装作为后道工序在固定芯片引脚、增强物理性保护和环境性保护,增强散热效果等方面发挥着重要作用。但是随着制造工艺不断演进,已经逼近物理极限,摩尔定律受到越来越多的挑战,仅靠缩小线宽的办法已经无法同时满足性能、功耗、面积以及信号传输速度等多方面的要求。在此情况下,越来越多的半导体厂商开始把注意力放在系统集成层面寻求解决方案,先进封装技术开始扮演重要角色。

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先进封装延续摩尔定律

传统封装通常是指先将晶圆片切割成单个芯片再进行封装的工艺,主要包括单列直插封装(SIP)、双列直插封装(DIP)、小外形封装(SOP)、小晶体管外形封装(SOT)、晶体管外形封装(TO)等封装形式。随着半导体技术不断演进,进入“超越摩尔”时代,半导体大厂的发展重点逐渐从过去着力于晶圆制造工艺技术节点的推进,转向系统级设计制造封装技术的创新。先进封装技术得到空前发展。

“先进封装是指处于前沿的封装形式和技术。目前,带有倒装芯片(FC)结构的封装、晶圆级封装(WLP)、系统级封装(SiP)、2.5D封装、3D封装等均被认为属地先进封装的畴。”长电科技高级副总裁刘铭此前接受记者采访时介绍。

近几年来,受限于工艺、制程和材料的瓶颈,摩尔定律的演进开始放缓,芯片的集成越来越难以实现,3D封装开始被认为是后摩尔时代集成电路的一个重要发展方向。英特尔、台积电、三星等半导体大厂都对3D封装技术给予了高度重视。

英特尔的首席架构师Raja表示,新的封装技术可以彻底改变目前的芯片架构,可以往芯片上方再叠加芯片。如果在处理器芯片上叠一颗5G基带芯片,那么支持5G的处理器就诞生了。

在第二届中国系统级封装大会上,华为硬件协同设计实验室首席架构师吴伯平表达的观点也很相似。吴伯平表示,尽管封装也在追赶摩尔定律的速度,但因为封装有多样性,封装与摩尔定律的趋势并非完全一致的。现在的一个趋势就是把很多芯片封装在一个大芯片内,这种“组合”的方式是未来的大趋势。

半导体龙头强封装技术开发

正是由于先进封装对半导体技术的演进越来越重要,英特尔、台积电、三星等龙头厂商都给予了高度重视。

为了巩固在高性能计算领域在的领先地位,英特尔近来持续强化在制程、架构、内存、超微互连、安全和软件等领域的竞争力,先进封装正是英特尔架构创新的主要战略布局方向之一。本届CES 2019上,英特尔便重点展示了采用“Foveros”技术封装的新一代CPU产品。“Foveros”作为英特尔最新推出3D封装技术,可以在逻辑芯片上实现3D堆叠,将不同工艺、结构、用途的芯片整合到一起,为设计人员提供了更大的灵活性。设计人员可以在新的产品形态中“混搭”不同的IC模块、I/O配置,并使产品能够分解成更小的“芯片组合”。英特尔发布的信息显示,将于2019年下半年开始推出采用Foveros技术的产品,首款Foveros产品将整合10nm高性能芯片组合和22FFL的低功耗基础芯片。

台积电虽然是晶圆代工厂,聚集于半导体制造的前道工序,但是对于先进封装也极为重视。数年前便打造了WLSI(Wafer-Level-System-Integration)技术平台,可提供多种晶圆级封装技术的配套支持,包括CoWoS封装、InFO封装,以及针对PMIC等功率芯片的扇入型晶圆级封装等。COWOS工艺主要与台积电16nm工艺配套,能够提供优化的系统效能、更小的产品尺寸,并改善芯片之间的传输带宽。根据DIGITIMES的报道,台积电第四代CoWoS封装将于2019年量产。而为了应对人工智能对高效能运算)芯片的需求,台积电将于2020年推出第五代CoWoS封装工艺。

作为台积电的老对头,三星在先进封装的开发上也不甘示弱,推出了可与台积电CoWoS封装制程相抗衡的I-Cube封装制程。在2018年三星晶圆代工论坛日本会议上,三星公布了其封测领域的路线图,三星已经可以提供I-Cube 2.5D封装,2019年将会推出3D SiP系统级封装。

中国企业不可错失重要时间窗口

封测领域的中高端产品占比代表着一个国家或地区封测业发展水平,推动企业向中高端发展成为做强中国封装产业的必然路径。根据Yole数据,2017年全球先进封装产值达约200亿美元,占全球封测总值接近一半的市场,其中中国的先进封装产值约占11.9%。这显示中国封测产业的整体技术水平仍然偏低,传统封装出货量仍占主要份额,但是主要企业的水平已经有了较大提升,国内骨干的集成电路封装企业(如长电科技、南通富士通、天水华天等)在先进封装技术的开发、储备、应用上得到了长足发展。发展先进封装技术是中国企业未来的重要方向。

近年来中国封装产业之所以取得较快发展,与此前成功进行了一系列企业并购有着重要关系。2016年长电科技完成对星科金鹏的并购,对星科金鹏的并购使长电科技进入全球封测厂前三位。2015年通富微电出资约3.7亿美金收购超威半导体(AMD)旗下的苏州厂和马来西亚槟城厂。AMD苏州和AMD槟城主要从事高端集成电路封测业务,主要产品包括CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、APU(加速处理器)以及Gaming Console Chip(游戏主机处理器)等。2014年,华天科技4200万美元收购美国FCI。FCI是美国一家提供先进晶圆封装代工的企业,其晶圆级封装技术与天水华天具有很强的技术互补性。然而随着国际环境的改变,特别是经过一系列并购之后,对并购企业进行深度整合开始成为封装企业的工作重点。

通富微电总经理石磊指出,半导体技术发展到今天,28nm的SoC产品是个节点,成本驱动的因素已经基本消失,半导体的高速发展正在失去成本这一引擎。而SiP等先进封装可以弥补缺失的动力,这对中国半导体、对整个封测产业是一个重要的时间窗口。与全球一流封测企业相比,国内企业综合技术实力仍有一定差距。要实现加速发展,需要加大技术投入、重视人才培养并强化产业链建设。半导体产业是一个全球化的产业,一定要加强国际合作,走出国门,开启国际化战略是封测企业做大做强的必由之路。


责任编辑:陈炳欣


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