3D封装，全产业链缺一不可

2022-09-08 14:53:43 来源: 杜芹

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1971年英特尔发布的第一款CPU 4004内部晶体管数约有2300个，5年后，英特尔的Ponte Vecchio处理器将47个小芯片超过1000亿个晶体管封装到一个处理器中，过程中同时使用2.5D和3D技术。

2022年1月5日，AMD发布首款3D堆叠的桌面处理器Ryzen 7 5800X3D，益于3D芯片堆叠，相比Zen2，Zen 3的平均性能提高了19%。

2022年3月4日，AI芯片公司Graphcore的Bow IPU芯片采用3D堆叠技术将AI速度提高40%。

2022年3月9日，苹果发布了计算机最高端处理器芯片M1 Ultra，将横向排列的2枚芯片相互连接，配备了1140亿个晶体管。

种种示例表明，2.5D/3D封装技术正成为芯片性能提升的一大重要手段。通过以最低成本实现最高水平的硅集成和面积效率，3D堆叠技术的重要性正在提高。全新的应用也不断涌现，3D堆叠技术已成为满足人工智能、机器学习和数据中心等应用程序所需性能的有利可图的解决方案。

3D封装成大势所趋，技术挑战不容小觑

随着芯片微缩愈加困难，而市场对芯片高性能的追逐不减，业界开始探索在封装领域寻求突破，所以这几年，诸如2.5D/3D的先进IC封装技术已经成为代工厂、封测厂、IDM、芯片设计厂商以及EDA厂商都竞相关注的一环。

但由于成本的原因，高级封装主要用于高端、面向利基市场的应用，如HPC等。3D封装技术在HPC等主要的产业推动下迎来快速发展。据Yole 2022Q1发布的先进封装市场分析报告，先进封装市场的整体收入预计将以10.11%的年复合增长率增长，从2021年的321亿美元增长到2027年的572亿美元。而封装的各个细分类别中，尤以2.5D/3D封装市场的年复合增长率最大，从2021年的67亿美元增加到2027年的147亿美元，高达14.34%。

先进封装市场营收及预测情况

（图源：Yole）

不仅仅是芯片制造过程的最后一步，封装正在成为芯片创新的催化剂。3D封装技术允许将不同的芯片如CPU、加速器、内存、IO、电源管理等像乐高积木一样拼凑起来，其主要优势是能实现更好的互连能效，减少访问延迟。例如3D封装技术允许在计算核心附近放置更多的内存，因此可以减少总的布线长度，提高内存访问带宽，改善延迟，提升CPU性能，也因此大大提高了产品级性能、功耗和面积，同时实现对系统架构的全面、重新思考。

如今，3D封装已成为行业顶尖的芯片企业如英特尔、AMD、NVIDIA、苹果等致胜的关键技术之一。虽然以3D IC为代表的异构封装已经成为未来的重点发展方向，但落实新技术要面对不少棘手的问题。相比传统的封装技术，2.5D/3D IC异构封装不仅仅是封装厂技术的革新，更为原有的设计流程、设计工具、仿真工具等带来挑战。

首先，在进行2.5D/3D堆叠之后由于集成度的大幅度提升，发热量变得更为集中，散热是一大问题；其次，在芯片、中介层、基板膨胀、冷缩的过程中，需要保障机械应力的可靠性；再者, 芯片之间的高频信号，需要满足时序、信号完整性要求等问题；最后，芯片堆叠完成后，还需要测试上层芯片是否能正常工作，接线是否良好，堆叠过程中没有被损坏等等。这些都是3D封装需要面对的难题和挑战。

3D封装是全产业链共同配合的大业

因此，在这样的背景下，3D封装就需要供应链多个环节的支持，包括代工厂、封装厂、EDA厂商、材料厂商等等。

在3D封装方面，台积电、三星和英特尔这样的晶圆代工厂是中流砥柱。台积电的“3D Fabric”、英特尔的“Foveros”以及三星的“X-cube”是三大代表的3D封装技术品牌。根据市场研究公司 Yole Development 的数据，在2022年先进封装的投资排名中，英特尔和台积电分别占2022年全球先进封装投资的32%和27%，三星电子排名第四（第三是日月光）。

2.5D和3D封装解决方案细分领域一览

（图源：Yole）

熟悉台积电的都知道，台积电将其SoIC(系统整合芯片)、InFO(整合型扇出封装技术)、CoWoS(基板上晶圆上芯片封装) 等2.5D和3D先进封装与芯片堆栈技术整合成为了“3D Fabric”品牌。据台积电2022Q2财报说明会，目前台积电为HPC应用开发的3DIC、SoIC技术已经大部分开始被客户采用，台积电还在日本成立了3DIC中心，并于今年6月份举行了开幕仪式。

图源：SemiWiKi

英特尔已将Foveros 3D封装技术用于其Ponte Vecchio和Rialto Bridge GPU 以及 Agilex FPGA中，英特尔表示，采用 3D Foveros 封装生产的芯片与标准单片（单芯片）芯片设计相比，在某些情况下具有极强的价格竞争力。英特尔于2021年5月宣布将斥资35亿美元用于新墨西哥Foveros晶圆厂。

图源：英特尔

三星在3D封装方面的核心竞争力来自于TSV和 PoP技术。2022年6月，三星成立半导体封装工作组，显示了三星对包括3D封装在内的先进封装的看重。

除了代工厂，传统的封装厂商也在积极向3D封装技术过渡。封测龙头日月光是较具实力的一员。2022年6月封测龙头日月光推出VIPack 3D先进封装平台，它是由六大核心封装技术组成，包括日月光基于高密度RDL 的Fan Out Package-on-Package (FOPoP)、Fan Out Chip-on-Substrate (FOCoS)、Fan Out Chip-on-Substrate-Bridge (FOCoS-Bridge) 和Fan Out System-in-Package (FOSiP)，以及基于硅通孔(TSV) 的2.5D/3D IC 和Co-Packaged Optics。其他封测厂如安靠、长电科技、通富微电等也在3D封装领域蓄力。

此外，要制造3D芯片，需要在制造设备和原材料领域出现新的技术创新。关键的重要材料之一是用于多枚芯片连接的ABF载板。ABF载板是IC载板中的一种，ABF载板可做线路较细、适合高脚数高讯息传输的IC，具有较高的运算性能，主要用于CPU、GPU、FPGA、ASIC等高运算性能芯片。近几年如Chiplet等技术的发展进步，对ABF载板的需求加大，另外也存在如何提高连接速度、改善散热性和成本削减等课题。目前包括欣兴、景硕、南电、Ibiden、Shinko、AT&S等主要ABF载板供应商都进行了一定的扩产。

IC载板是一种介于IC半导体及PCB之间的产品，作为芯片与电路板之间连接的桥梁，可以保护电路完整，同时建立有效的散热途径。

图源：stockfeel

但是3D IC封装所面临的难题，有时候单靠制造端是解决不了的，需要在芯片设计的一开始就提前规划。3D IC封装将不仅仅是“封装”一个环节的事情，其更多体现在芯片和封装的协同配合。

3D IC封装最根本的挑战来自于应用工具数据库的转变。芯片通用的GDS格式与PCB使用的Gerber格式有着根本上的差别，需要重新整合解决方案，以满足先进封装要求。此外，规模增长带来的复杂性也是需要重点关注的问题。在做多晶粒(multi-die)时，面对日益庞大的系统，需要考虑能否承担并验证。还有一个值得注意的就是设计规划，将多个芯片怎样连接起来，用哪些工具去规划，哪个文档是正式“黄金参考”版本，都是需要事先确立的。只有确立了规划，才能够进行后续的设计、验证。此时就凸显出EDA工具的重要性。

而这些正是西门子EDA这样的EDA厂商的价值所在，西门子EDA有一套成熟的端到端的EDA解决方案，结合其Xpedition, HyperLynx和Calibre技术，实现了快速有效的设计至GDS 签核。例如，在芯片仿真验证阶段，结合西门子HyperLynx和Calibre系列工具，可以处理die、package和PCB仿真的协同问题，而不再是专注于单一设计领域；在芯片封装设计布局阶段，西门子Xpedition Package Designer提供高效能的先进封装技术支持，以及智能布局功能，能提升封装设计布局效率并缩短布局时间；在测试阶段西门子EDA Tessent 工具平台基于工业分析，为3D IC提供集成并且流畅的EDA解决方案，通过灵活而完备的测试组合，实现提高测试覆盖率、降低测试成本、追踪良率问题的目标。

与此同时，EDA厂商与代工厂和封装厂的协同合作也愈发重要。在这方面，西门子EDA已与台积电、三星以及日月光等积极展开合作，为他们提供生态上的支持。

其中，早在2020年，西门子EDA就获得台积电“联合开发3DIC设计生产力解决方案”年度OIP合作伙伴奖，2021年双方在云上 IC 设计以及台积电 3D 硅堆叠和先进封装技术系列——3DFabric™方面达到了关键里程碑。再者，西门子EDA的高密度先进封装解决方案已通过三星Foundry最新封装工艺认证。西门子EDA还利用其Xpedition™ Substrate Integrator 软件和 Calibre® 3DSTACK 平台与日月光推出新一代高密度先进封装设计的支持技术，据日月光集团副总裁洪志斌博士表示：“双方的合作使客户可以减少2.5D/3D IC和FOCoS的封装规划和验证周期，在每一次设计周期中，大约可以减少30%到50%的设计开发时间。”

结语

随着整个产业链逐渐日趋完善，并且不断推出各领域新的支持的技术，如2.5D和3D封装技术将成为接下来芯片性能提升过程的中流砥柱，也将是半导体产业的未来。3D封装正在改变半导体世界，这一次将引起全产业链的变革。

责任编辑：sophie

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