1 后摩爾時代,先進封裝成為提升芯片性能重要解法
1.1 摩爾定律放緩,先進封裝日益成為提升芯片性能重要手段
隨著摩爾定律放緩,芯片特征尺寸接近物理極限,先進封裝成為提升芯片性 能,延續摩爾定律的重要手段。先進封裝是指處于前沿的封裝形式和技術,通過 優化連接、在同一個封裝內集成不同材料、線寬的半導體集成電路和器件等方式, 提升集成電路的連接密度和集成度。當前全球芯片制程工藝已進入 3-5nm 區間, 接近物理極限,先進制程工藝芯片的設計難度、工藝復雜度和開發成本大幅增加, 摩爾定律逐漸失效,半導體行業進入“后摩爾時代”。前道制程工藝發展受限,但 隨著 AI 等新興應用場景快速發展,芯片性能要求日益提高,越來越多集成電路 企業轉向后道封裝工藝尋求先進技術方案,以確保產品性能的持續提升。先進封 裝技術應運而生,在“后摩爾時代”逐步發展為推動芯片性能提升的主要研發方向。先進封裝有多種分類標準,是否有焊線或光刻工序是其中一種區分方式。傳 統封裝不涉及光刻工序,切割后的晶圓通過焊線工藝實現芯片與引線框架的電性 連接,從而完成芯片內外部的連通。先進封裝主要利用光刻工序實現線路重排 (RDL)、凸塊制作(Bumping)及三維硅通孔(TSV)等工藝技術,涉及涂膠、曝 光、顯影、電鍍、去膠、蝕刻等工序。
1.2 先進封裝份額占比提升,2.5D/3D 封裝增速領先先進封裝
AI 帶動先進封裝需求。TrendForce 報告指出,聊天機器人等生成式 AI 應用 爆發式增長,帶動 2023 年 AI 服務器開發大幅擴張。這種對高端 AI 服務器的依 賴,需要使用高端 AI 芯片,這不僅將拉動 2023~2024 年 HBM 的需求,而且預計 還將在 2024 年帶動先進封裝產能增長 30~40%。先進封裝增速高于整體封裝,2.5D/3D 封裝增速居先進封裝之首。根據 Yole, 2021 年,先進封裝市場規模約 375 億美元,占整體封裝市場規模的 44%,預計到 2027 年將提升至占比 53%,約 650 億美元,CAGR21-27為 9.6%,高于整體封裝市場 規模 CAGR21-27 6.3%。先進封裝中的 2.5D/3D 封裝多應用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS 等,受數據中心、高性能計算、自動駕駛等應用的驅動,2.5D/3D 封裝市場收入規模 CAGR21-27高達 14%,在先進封裝多個細分領域中位列第一。
1.3 先進封裝處于晶圓制造與封測的交叉區域
先進封裝處于晶圓制造與封測制程中的交叉區域,涉及 IDM、晶圓代工、封 測廠商。先進封裝要求在晶圓劃片前融入封裝工藝步驟,具體包括應用晶圓研磨 薄化、重布線(RDL)、凸塊制作(Bumping)及硅通孔(TSV)等工藝技術,涉及 與晶圓制造相似的光刻、顯影、刻蝕、剝離等工序步驟,從而使得晶圓制造與封 測前后道制程中出現中道交叉區域。前后道大廠爭先布局先進封裝,競爭格局較為集中。后摩爾時代,先進制程 成本快速提升,一些晶圓代工大廠發展重心正在從過去追求更先進納米制程,轉 向封裝技術的創新。諸如臺積電、英特爾、三星、聯電等芯片制造廠商紛紛跨足 封裝領域。先進封裝競爭格局較為集中,全球主要的 6 家廠商,包括 2 家 IDM 廠 商(英特爾、三星),一家代工廠商(臺積電),以及全球排名前三的封測廠商(日 月光、Amkor、JCET),共處理了超過 80%的先進封裝晶圓。
2 TSV:硅通孔,先進封裝關鍵技術
2.1 TSV:硅通孔技術,芯片垂直堆疊互連的關鍵技術
TSV(Through Silicon Via),硅通孔技術,是通過硅通道垂直穿過組成堆 棧的不同芯片或不同層實現不同功能芯片集成的先進封裝技術。TSV 主要通過銅 等導電物質的填充完成硅通孔的垂直電氣互連,減小信號延遲,降低電容、電感, 實現芯片的低功耗、高速通信,增加帶寬和實現器件集成的小型化需求。此前,芯片之間的大多數連接都是水平的,TSV 的誕生讓垂直堆疊多個芯片 成為可能。Wire bonding(引線鍵合)和 Flip-Chip(倒裝焊)的 Bumping(凸 點)提供了芯片對外部的電互連,RDL(再布線)提供了芯片內部水平方向的電互 連,TSV 則提供了硅片內部垂直方向的電互連。
2.2 TSV 三種主要應用方向:背面連接、2.5D 封裝、3D 封裝
TSV 有多種用途,可大致分為 3 種:(a) 垂直的背面連接,無芯片堆疊,如“簡單的背面連接”。TSV 位于有源晶 粒(active die)中,用于連接至晶圓背面的焊盤(bond pad);(b) 2.5D 封裝。晶粒(die)連接至硅中介層(interposer),TSV 在中介層 中;(c) 3D 封裝。TSV 位于有源晶粒中,用于實現芯片堆疊。
(a)TSV 作為簡單背面連接:用于 CIS 和鍺化硅(SiGe)功率放大器
TSV 三種主要應用方式中,簡單的背面連接結構是技術難度最低的,也是 TSV 技術首次大規模投入生產時的應用方向,如 CMOS 圖像傳感器(CIS)、SiGe 功率 放大器兩個產品就應用了 TSV 技術。將 TSV 用于 CMOS 圖像傳感器有許多優點:1)使用 TSV 代替引線鍵合可以減小相機模組的尺寸。2)簡化了圖像傳感器的晶圓級封裝(WLP)。WLP 工藝的第一步 是將玻璃晶圓附著到圖像傳感器的正面,防止光刻膠(抗蝕劑)微透鏡在組裝過程 中受到損壞和污染,然而安裝好玻璃晶圓后會使從晶圓正面到焊盤的連接途徑受 阻,TSV 通過簡化晶圓級封裝,對此問題提供了簡易的解決方法。
(b)TSV 應用于 2.5D 封裝:FPGA
與簡單的背面連接相比,2.5D 先進封裝的硅中介層需要更小的 TSV 間距 (≤50 μm),因此需要更先進的 TSV 工藝。現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件是最早 使用硅中介層的產品之一:硅中間層可以使芯片間密切連接,整合后的結構看起 來像單個大尺寸的 FPGA 芯片,解決了早期直接構建單個大尺寸 FPGA 芯片的技術 難題。
(c)TSV 應用于 3D 封裝:存儲器堆疊
儲器堆疊是首批應用 3D 堆疊 TSV 結構的產品之一,和 2.5D 封裝中硅中階層 對 TSV 間距的需求相似,但實際應用中難度更高,例如寬 I/O DRAM 設備。使用寬 I/O DRAM 和芯片堆疊的優勢包括封裝高度降低40%,功耗降低50%, 帶寬增加 6 倍。
2.3 國內封測廠 TSV 布局情況:多家頭部廠商已有布局
內資封測廠商向 TSV 等先進封裝領域突破。全球半導體產業經歷二次產業轉 移,目前處于第三次產業轉移的進程之中,作為半導體領域壁壘相對較低的領域, 封測產業目前主要轉移至亞洲區域,主要包括中國大陸、中國臺灣、東南亞等。封測是中國大陸集成電路發展最為完善的板塊,技術能力與國際先進水平比較接 近,我國封測市場已形成內資企業為主的競爭格局。中國大陸封測市場目前主要 以傳統封裝業務為主,經過多年的技術創新和市場積累,內資企業產品已由 DIP、 SOP、SOT、QFP 等產品向 QFN/DFN、BGA、CSP、FC、TSV、LGA、WLP 等技術更先進 的產品發展,并且在 WLCSP、FC、BGA 和 TSV 等技術上取得較為明顯的突破,產 量與規模不斷提升,逐步縮小與外資廠商之間的技術差距,極大地帶動我國封裝 測試行業的發展。
我國頭部封測企業,如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技已有采用 TSV技術封裝的產品批量出貨。2.5D/3D封裝所需的晶圓內部的加工如TSV加工, 硅轉接板加工等工序屬于晶圓廠擅長制程,而晶圓,裸芯片(Die)之間的高密度 互聯和堆疊,以及和基板,接點的互聯技術屬于芯片后道成品制造環節的優勢。應用于 CoWoS 等 2.5D/3D 先進封裝中的 TSV 技術對深寬比等有更高要求,需要用 到諸多前道設備,仍多由晶圓廠來完成。國內封測廠則在先進封裝平臺、CIS 封 裝等領域對 TSV 技術有所布局。長電科技的 XDFOI技術平臺有 TSV less 和 TSV 方案。通富微電 2021 年在高性能計算領域建成了 2.5D/3D 封裝平臺(VISionS) 及超大尺寸 FCBGA 研發平臺,并完成高層數再布線技術開發,可為客戶提供晶圓 級和基板級 Chiplet 封測解決方案;在存儲器領域,多層堆疊 NAND Flash 及 LPDDR 封裝實現穩定量產,并在國內首家完成基于 TSV 技術的 3DS DRAM 封裝開 發。華天科技工業級 12 吋 TSV-CIS 產品已實現量產。晶方科技應用晶圓級硅通 孔(TSV)封裝技術,聚焦以影像傳感芯片為代表的智能傳感器市場,封裝的產品 主要包括 CIS 芯片、TOF 芯片、生物身份識別芯片、MEMS 芯片等,應用于智能手 機、安防監控數碼、汽車電子等市場領域。
3 TSV 制造流程及所需設備
3.1 TSV 制造流程
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原文標題:電子行業TSV研究框架:先進封裝關鍵技術
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