一文看懂高速发展的2.5D/3D封装
2021-03-18
14:00:47
来源: 半导体行业观察
来源：内容来自半导体行业观察综合，谢谢。
据DIGITIMES Research分析，伴随着CPU、GPU、FPGA等高效能运算(HPC)芯片性能要求持续提升，覆晶封装(Flip Chip；FC)、层叠封装(Package on Package；PoP)等传统封装技术已不敷使用，使2.5D/3D封装技术需求逐渐增加，吸引半导体制造业者积极布局，其中，IDM与晶圆代工业者2.5D技术发展相对委外半导体封测(OSAT)业者成熟、完整，也具有多年量产经验，3D封装技术则将陆续开花结果。
DIGITIMES Research分析师陈泽嘉指出，覆晶封装虽是现行芯片封装主流技术，然2.5D/3D封装提供较覆晶封装7~8倍以上的I/O数增量，以及更高密度整合更多芯片／模组，有助芯片提升效能、改善功耗等，增加HPC芯片业者采用2.5D/3D技术的诱因。具体来看，NVIDIA与超微(AMD) CPU与GPU、英特尔(Intel)与赛灵思(Xilinx) FPGA等多为2.5D封装，而英特尔Lakefield CPU更是首个以3D封装的CPU。
陈泽嘉进一步指出，HPC芯片所催生的2.5D/3D封装商机吸引IC制造业者积极布局，其中，英特尔、三星电子与台积电已具成熟的2.5D封装经验；3D封装部分，英特尔已量产Foveros技术，三星与台积电则将在2021~2022年陆续量产。日月光、艾克尔(Amkor)等OSAT业者虽布局2.5D/3D封装，但技术方案仍不若IDM与晶圆代工业者完整，然逐渐强化中。
除了先进制程之外，先进封装也成为延续摩尔定律的关键技术，像是2.5D、3D等技术在近年来成为半导体产业的热门议题。究竟，先进封装是如何在延续摩尔定律上扮演关键角色？而2.5D、3D等封装技术又有何特点？
人工智能（AI）、车联网、5G 等应用相继兴起，且皆须使用到高速运算、高速传输、低延迟、低耗能的先进功能芯片；然而，随着运算需求呈倍数成长，究竟要如何延续摩尔定律，成为半导体产业的一大挑战。
换言之，半导体先进制程纷纷迈入了7 纳米、5 纳米，接着开始朝3 纳米和2 纳米迈进，电晶体大小也因此不断接近原子的物理体积限制，电子及物理的限制也让先进制程的持续微缩与升级难度越来越高。
也因此，半导体产业除了持续发展先进制程之外，也「山不转路转」地开始找寻其他既能让芯片维持小体积，同时又保有高效能的方式；而芯片的布局设计，遂成为延续摩尔定律的新解方，异构整合（Heterogeneous Integration Design Architecture System，HIDAS）概念便应运而生，同时成为IC 芯片的创新动能。
▲异构整合成为实现小体积、高效能芯片的另一种方式。（Source：SEMI）
所谓的异构整合，广义而言，就是将两种不同的芯片，例如记忆体＋逻辑芯片、光电＋电子元件等，透过封装、3D 堆叠等技术整合在一起。换句话说，将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起，都可称为是异构整合。
因为应用市场更加的多元，每项产品的成本、性能和目标族群都不同，因此所需的异构整合技术也不尽相同，市场分众化趋势逐渐浮现。为此，IC 代工、制造及半导体设备业者纷纷投入异构整合发展，2.5D、3D 封装、Chiplets 等现今热门的封装技术，便是基于异构整合的想法，如雨后春笋般浮现。
过往要将芯片整合在一起，大多使用系统单封装（System in a Package，SiP）技术，像是PiP（Package in Package）封装、PoP（Package on Package）封装等。然而，随着智能手机、AIoT 等应用，不仅需要更高的性能，还要保持小体积、低功耗，在这样的情况下，必须想办法将更多的芯片堆积起来使体积再缩小，因此，目前封装技术除了原有的SiP 之外，也纷纷朝向立体封装技术发展。
立体封装概略来说，意即直接使用矽晶圆制作的「矽中介板」（Silicon interposer），而不使用以往塑胶制作的「导线载板」，将数个功能不同的芯片，直接封装成一个具更高效能的芯片。换言之，就是朝着芯片叠高的方式，在矽上面不断叠加矽芯片，改善制程成本及物理限制，让摩尔定律得以继续实现。
而立体封装较为人熟知的是2.5D 与3D 封装，这边先从2.5D 封装谈起。所谓的2.5D 封装，主要的概念是将处理器、记忆体或是其他的芯片，并列排在矽中介板（Silicon Interposer）上，先经由微凸块（Micro Bump）连结，让矽中介板之内金属线可连接不同芯片的电子讯号；接着再透过矽穿孔（TSV）来连结下方的金属凸块（Solder Bump），再经由导线载板连结外部金属球，实现芯片、芯片与封装基板之间更紧密的互连。
▲ 2.5D和3D封装是热门的立体封装技术。（Source：ANSYS）
目前为人所熟知的2.5D 封装技术，不外乎是台积电的CoWoS。CoWoS 技术概念，简单来说是先将半导体芯片（像是处理器、记忆体等），一同放在矽中介层上，再透过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至底层基板上。换言之，也就是先将芯片通过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至矽晶圆，再把CoW 芯片与基板连接，整合成CoWoS；利用这种封装模式，使得多颗芯片可以封装到一起，透过Si Interposer 互联，达到了封装体积小，功耗低，引脚少的效果。
▲台积电CoWos封装技术概念。（Source：台积电）
除了CoWos 外，扇出型晶圆级封装也可归为2.5D 封装的一种方式。扇出型晶圆级封装技术的原理，是从半导体裸晶的端点上，拉出需要的电路至重分布层（Redistribution Layer），进而形成封装。因此不需封装载板，不用打线（Wire）、凸块（Bump），能够降低30% 的生产成本，也让芯片更薄。同时也让芯片面积减少许多，也可取代成本较高的直通矽晶穿孔，达到透过封装技术整合不同元件功能的目标。
当然，立体封装技术不只有2.5D，还有3D 封装。那么，两者之间的差别究竟为何，而3D 封装又有半导体业者正在采用？
相较于2.5D 封装，3D 封装的原理是在芯片制作电晶体（CMOS）结构，并且直接使用矽穿孔来连结上下不同芯片的电子讯号，以直接将记忆体或其他芯片垂直堆叠在上面。此项封装最大的技术挑战便是，要在芯片内直接制作矽穿孔困难度极高，不过，由于高效能运算、人工智能等应用兴起，加上TSV 技术愈来愈成熟，可以看到越来越多的CPU、GPU 和记忆体开始采用3D 封装。
▲ 3D封装是直接将芯片堆叠起来。（Source：英特尔）
在3D 封装上，英特尔（Intel）和台积电都有各自的技术。英特尔采用的是「Foveros」的3D 封装技术，使用异构堆叠逻辑处理运算，可以把各个逻辑芯片堆栈一起。也就是说，首度把芯片堆叠从传统的被动矽中介层与堆叠记忆体，扩展到高效能逻辑产品，如CPU、绘图与AI 处理器等。以往堆叠仅用于记忆体，现在采用异构堆叠于堆叠以往仅用于记忆体，现在采用异构堆叠，让记忆体及运算芯片能以不同组合堆叠。
另外，英特尔还研发3 项全新技术，分别为Co-EMIB、ODI 和MDIO。Co-EMIB 能连接更高的运算性能和能力，并能够让两个或多个Foveros 元件互连，设计人员还能够以非常高的频宽和非常低的功耗连接模拟器、记忆体和其他模组。ODI 技术则为封装中小芯片之间的全方位互连通讯提供了更大的灵活性。顶部芯片可以像EMIB 技术一样与其他小芯片进行通讯，同时还可以像Foveros 技术一样，通过矽通孔（TSV）与下面的底部裸片进行垂直通讯。
同时，该技术还利用大的垂直通孔直接从封装基板向顶部裸片供电，这种大通孔比传统的矽通孔大得多，其电阻更低，因而可提供更稳定的电力传输；并透过堆叠实现更高频宽和更低延迟。此一方法减少基底芯片中所需的矽通孔数量，为主动元件释放了更多的面积，优化裸片尺寸。
而台积电，则是提出「3D 多芯片与系统整合芯片」（SoIC）的整合方案。此项系统整合芯片解决方案将不同尺寸、制程技术，以及材料的已知良好裸晶直接堆叠在一起。
台积电提到，相较于传统使用微凸块的3D 积体电路解决方案，此一系统整合芯片的凸块密度与速度高出数倍，同时大幅减少功耗。此外，系统整合芯片是前段制程整合解决方案，在封装之前连结两个或更多的裸晶；因此，系统整合芯片组能够利用该公司的InFO 或CoWoS 的后端先进封装技术来进一步整合其他芯片，打造一个强大的「3D×3D」系统级解决方案。
▲台积电SoIC整合方案。（Source：台积电）
此外，台积电亦推出3DFabric，将快速成长的3DIC 系统整合解决方案统合起来，提供更好的灵活性，透过稳固的芯片互连打造出强大的系统。藉由不同的选项进行前段芯片堆叠与后段封装，3DFabric 协助客户将多个逻辑芯片连结在一起，甚至串联高频宽记忆体（HBM）或异构小芯片，例如类比、输入/输出，以及射频模组。3DFabric 能够结合后段3D 与前段3D 技术的解决方案，并能与电晶体微缩互补，持续提升系统效能与功能性，缩小尺寸外观，并且加快产品上市时程。
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