随着半导体前端节点变得越来越小，设计成本快速增加。在这种情况下，先进封装及其 2.5D 和 3D 解决方案在降低与前端制造相关的成本影响方面变得至关重要且有效，同时还有助于提高系统性能并提供更低的延迟、更高的带宽和电源效率。

根据 Yole 的定义，如果一个die能在每平方毫米内能集成超过16个pitch小于130μm的I/O。如超高密度 (UHD) 扇出、嵌入式硅桥、硅中介层、3D 堆栈存储器（例如 3D NAND）、高带宽存储器（HBM）和 3D 堆栈 DRAM 就是满足这些标准的一些封装平台。

另一个值得考虑的平台是 3DSoC，它采用芯片到晶圆 (D2W:die-to-wafer) 的混合键合。嵌入式硅桥（embedded Si bridges）有两种可能的选择：第一种，称为 EMIB，由 Intel 提出并嵌入IC基板中；第二种是嵌入模制化合物（mold compound）中的硅中介层，由 TSMC (LSI) 和 SPIL (FOEB) 提供。

具体到硅中介层（ Si interposers）方面，则有两种产品：一种是传统的或非有源的，通常由 TSMC、三星和 UMC 提供；另一种是有源的，即英特尔的 Foveros。把EMIB 与 Foveros 结合则产生了 Co-EMIB，这个技术被应用到了英特尔的 Ponte Vecchio处理器上。三星、SK海力士和美光则提供了3D 堆叠 DRAM 和 HBM 内存。

值得一提的是，长江存储是迄今唯一一家使用晶圆对晶圆(W2W：wafer to wafer) 混合键合技术生产 3D NAND 的公司。但包括铠侠和上述三家公司在哪的竞争对手都在考虑进攻这项技术。

此外，Sony（自2015年起）和OmniVision（自2022年起）这样的CIS供应商使用W2W混合键合生产的CMOS图像传感器也是一种3D堆叠封装平台，但它们不是高端性能平台，因为它不能满足I/O方面密度和间距的要求 ，这代表着其与上述封装有着相当的差距。


01
先进封装发展历程

电子集成技术分为三个层次，芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成，其代表技术分别为SoC，SiP和PCB（也可以称为SoP或者SoB）。

芯片上的集成主要以2D为主，晶体管以平铺的形式集成于晶圆平面；同样，PCB上的集成也是以2D为主，电子元器件平铺安装在PCB表面，因此，二者都属于2D集成。而针对于封装内的集成，情况就要复杂的多。

电子集成技术分类的两个重要判据：1.物理结构，2.电气连接(电气互连)。

目前先进封装中按照主流可分为2D封装、2.5D封装、3D封装三种类型。

2D封装

2D封装是指在基板的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式。2D封装上包括FOWLP、FOPLP等技术。

物理结构：所有芯片和无源器件均安装在基板平面，芯片和无源器件和 XY 平面直接接触，基板上的布线和过孔均位于 XY 平面下方；电气连接：均需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）

台积电在2017年开发的InFO技术。InFO技术与大多数封装厂的Fan-out类似，可以理解为多个芯片Fan-out工艺的集成，主要区别在于去掉了silicon interposer，使用一些RDL层进行串连（2016年推出的iPhone7中的A10处理器，采用台积电16nm FinFET工艺以及InFO技术）。


另外，还有一种2D+ 集成

2D+集成是指的传统的通过键合线连接的芯片堆叠集成。也许会有人问，芯片堆叠不就是3D吗，为什么要定义为2D+集成呢？

主要基于以下两点原因：

1）3D集成目前在很大程度上特指通过3D TSV的集成，为了避免概念混淆，我们定义这种传统的芯片堆叠为2D+集成；

2）虽然物理结构上是3D的，但其电气互连上均需要通过基板，即先通过键合线键合到基板，然后在基板上进行电气互连。这一点和2D集成相同，比2D集成改进的是结构上的堆叠，能够节省封装的空间，因此称之为2D+集成。

物理结构：所有芯片和无源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接触基板，基板上的布线和过孔均位于XY平面下方；

电气连接：均需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）


2.5D封装

2.5D封装通常是指既有2D的特点，又有部分3D的特点，其中的代表技术包括英特尔的EMIB、台积电的CoWoS、三星的I-Cube。

物理结构：所有芯片和无源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和无源器件安装在中介层上（Interposer），在XY平面的上方有中介层的布线和过孔，在XY平面的下方有基板的布线和过孔。

电气连接：中介层（Interposer）可提供位于中介层上的芯片的电气连接。

2.5D集成的关键在于中介层Interposer，一般会有几种情况，1）中介层是否采用硅转接板，2）中介层是否采用TSV，3）采用其他类型的材质的转接板；在硅转接板上，我们将穿越中介层的过孔称之为TSV，对于玻璃转接板，我们称之为TGV。

3D封装

3D封装和2.5D封装的主要区别在于：2.5D封装是在Interposer上进行布线和打孔，而3D封装是直接在芯片上打孔和布线，电气连接上下层芯片。3D集成目前在很大程度上特指通过3D TSV的集成。

3D集成和2.5D集成的主要区别在于：2.5D集成是在中介层Interposer上进行布线和打孔，而3D集成是直接在芯片上打孔（TSV）和布线（RDL），电气连接上下层芯片。

物理结构：所有芯片和无源器件均位于XY平面上方，芯片堆叠在一起，在XY平面的上方有穿过芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布线和过孔。

电气连接：通过TSV和RDL将芯片直接电气连接

3D集成大多数应用在同类芯片堆叠中，多个相同的芯片垂直堆叠在一起，通过穿过芯片堆叠的TSV互连，如下图所示。同类芯片集成大多应用在存储器集成中，例如DRAM Stack，FLASH Stack等。

4D 集成

物理结构：多块基板以非平行方式安装，每块基板上都安装有元器件，元器件安装方式多样化。电气连接：基板之间通过柔性电路或者焊接连接，基板上芯片电气连接多样化。


02
前途无量的先进封装市场

与其他封装平台相比，高端性能封装的单位数量很小，但由于其复杂性导致平均售价较高，因此它产生的收入比例更高。预计到 2027 年收入将超过145亿美元，高于 2022 年的 26亿美元，这就意味着其在2022到2027年间的CAGR为41%。

这种健康增长归因于包括云计算、网络、人工智能、自动驾驶、个人计算和游戏在内的高性能计算终端系统的增加。这些应用都需要用更复杂的节点生产更大、更复杂的芯片，这些节点会随着成本的增加而扩展。这些趋势促使半导体行业制定具有高端封装选项的系统级扩展策略，而不仅仅是扩展 FE 高级节点。

通过将大型单片 SoC 裸片拆分成更小的芯片并仅缩放最关键的电路组件，小芯片以及异构集成是降低缩放成本的一种选择。这只能通过使用具有高连接密度、高带宽和良好功率效率的 2.5D 和 3D 集成技术来实现。因此，由于研发和生产方面的重大进步，微凸块、硅通孔 (TSV)、铜柱和混合键合正在推动高端性能应用中的 IO 密度和功能集成达到新高度。

3D SoC（包括die-to-wafer和die-to-die混合封装）则被看作是10μm以下pitch技术的下一个突破点。作为前端封装技术，这使得高端系统级性能与3D DRAM的更密集的3D IC堆叠、异构集成封装和封装分区SoC die成为可能。领先的供应商，尤其是台积电、三星和英特尔，都以此为目标，提供或计划提供尖端的混合键合解决方案。这也许是半导体和封装世界之间的真正接触点。

先进封装正在向前端靠拢。证据在于代工厂和 IDM，因为它们正在成为市场上最先进的2.5D 和 3D 封装解决方案领导者。OSAT 正努力顺应这一趋势，提供创新的先进封装解决方案，以帮助解决摩尔定律放缓带来的前端挑战，但他们要打入混合键合市场将是极其困难的，因为他们缺乏前端能力和必要的资源。

当然，我们也必须承认，没有事情是百分百的。


03
拆解当前的先进封装市场

封装技术不断发展，以满足日益增长的芯片集成度和对每个组件更高性能的需求。芯片封装已经完成了从其传统用途的演变。在传统用途中，芯片封装仅用作芯片保护。现在，封装的设计选择在解决缩放的减速和满足对高性能的多样化需求方面起着至关重要的作用。

通过2.5D&3D异构封装技术也实现了更小的占用空间和超高布线。

最近，新的参与者进入了先进封装解决方案领域，以提高其高端产品的性能。各种架构和功能也用于增强die之间的互连。例如，硅通孔与die之间的垂直连接已成为一种有吸引力的解决方案，可用于减小封装尺寸、提高信号完整性并在 HBM 存储器中提供更高的数据传输速率。传统的铜微凸块用于创建短而快速的芯片到芯片或芯片到基板的互连。尽管缩小凸点（bumps）变得越来越困难，但一些厂商已经推出了一种使用混合键合的新解决方案，以提供直接的、更高密度的互连和可扩展的互连间距。

Yole 对先进封装市场最近出现的各种封装解决方案进行了分析和比较并发现：NVIDIA 的 A100 使用 TSMC 的大型硅中介层连接 GPU 和 HBM 内存，从而优化了占用空间并提高了组件性能；然而，中介层的成本相对较高，因为封装中超过 50% 的芯片全部对应的中介层芯片。面对这些挑战和硅中介层工艺的成本影响，一些制造商（如 AMD）使用替代解决方案（例如模制中介层 （mold interposer））来减小硅芯片的尺寸和成本。AMD 的 MI210 组件将芯片集成在扇出高架桥接（ fan-out elevated bridge technology）技术中，其中多个桥接芯片将处理器裸片连接到 HBM 内存。桥接芯片嵌入封装成型中，HBM 和 GPU 裸片堆叠在模具中介层（ mold interposer）上，铜柱结构穿过成型件，用于将信号从裸片垂直传输到基板。该解决方案提供了更好的电气性能并降低了成本。

Apple 凭借其 Apple M1 Ultra 组件也进入了先进封装市场，该组件使用本地硅中介层连接两个处理器，将这项技术标记为超融合（ultra-fusion）。这种新颖的封装工艺，包括芯片优先工艺（chip-first）和最后再分配（redistribution last）工艺，这也正是台积电的 InFO-L 工艺。该组件中使用的 LPDDR5 内存并未直接与处理器芯片互连，而是仅集成在封装基板级别。

面对先进封装缩放和互连方面的不同挑战，混合键合已被引入作为各种半导体组件的封装解决方案。

2022年，AMD还首创了V-Cache技术。它通过使用芯片到晶圆混合键合将缓存芯片连接到处理器来使用额外的缓存。这种使能技术允许高速缓存的垂直堆叠，以改进互连、减少键合间距并加快处理器内核对高速缓存的访问。一旦混合键合良率得到优化，该工艺将为 3D 封装提供更有前途的解决方案。

台积电在覆盖前端和后端方面发挥着至关重要的作用，因为它具有制造用于最新处理器芯片的先进节点的代工能力，并提供 OSAT 无法提供的先进和复杂的后端服务。异构解决方案使具有不同功能的多个小芯片和来自不同制造工艺流程的芯片能够集成到一个封装中。主要目标是提供一种具有成本效益的集成方案，同时具有改进的性能、更高的传输速度和更低的功耗。


04
对设备和材料的要求

先进封装设备与现有平台一样多种多样，服务于所有级别的互连，即在 Si 芯片（或小芯片）、Si 光子芯片、布线或再分布层 (RDL：redistribution layers) 级别。当中还包括如嵌入式桥接器或有机中介层、Si 中介层、IC 基板和高级印刷电路板 (PCB)在内的嵌入式布线。在每个级别，我们都看到了减小互连间距和线间距 (L/S：line space) 的趋势。制造这种互连的复杂性来自于形成它们的各种互连形状和材料。互连类型、制造方法和使用的设备可以根据基板类型（晶圆或面板）和材料（Si、有机、玻璃）进行区分。

晶圆级封装 (WLP) 设备相对完善。该设备不断优化，以应对清洁和温度控制、高纵横比特性、增加的粗糙度、翘曲控制以及对封装中各种材料的考虑等挑战。

硅芯片顶部的布线以及硅通孔 (TSV) 均采用薄膜技术制造。对于宽松的 L/S，可以使用成熟的 MEMS 类型的设备，满足core-FO、扇入、倒装芯片和低端硅中介层的制造需求。对于更严格的 L/S，来自领先设备制造商的前端 300 毫米设备用于制造 BEOL 布线、TSV 或用于高端硅中介层、硅桥接芯片、3D 堆栈存储器和 3D SoC。WLP FO（HD 和 UHD）考虑了略有不同的方法，其中 RDL 或通模通孔（TMV：Through-Mold-Vias）被制造到环氧模塑料 (EMC：Epoxy Mold Compound)。

布线完成后，芯片通过混合键合较大的焊料凸块（ bigger solder bumps）、较小的铜柱（ smaller Cu pillars）、微凸块（microbumps）或最小的直接铜焊盘（smallest direct Cu pad进行互连。其中，混合键合是设备和材料供应商在芯片和晶圆处理、键合后光刻、沉积、减薄和平面化、蚀刻和等离子切割以及混合互连核心方面的技术转折点。

面板级封装 (PLP) 设备和材料供应链更为复杂，通常使用定制设备在 EMC、有机面板、味之素积层膜（ABF）和玻璃之上互连。PLP 可以使用减材（ subtractive）或增材（additive）工艺，其中设备优化通常受到表面贴装技术 (SMT)、半导体和平板显示器行业的启发，以解决非对称翘曲、更厚的基板、涂层或沉积的均匀性和减薄、粗糙度增加以及处理低温材料等挑战。此外，由于缺乏适用于严格 L/S 的面板处理计量和检测工具，PLP 过程控制很困难。IC 基板和先进的 PCB 面临互连间距减小的挑战，我们看到从 SMT 到薄膜的转变技术。对于嵌入式桥接器的拾取和放置以及层压到有机面板中的互连间距变得更加严格，RDL-first 用于 2.3D 有机中介层或 Chip-last FO。

总而言之，WLP 和 PLP 技术的改进与高端硅芯片的进步是互补的。因此，我们继续看到许多令人振奋的发展。


05
中国大陆先进封装技术发展现状和存在的问题

中国大陆封装测试（简称封测）企业主要集中于长江三角洲地区，根据中国半导体行业协会统计，2020年中国大陆封测产品销售额达到2509.29亿元，江苏、上海、浙江3个省份2020年封测产品销售额合计达到1838.3亿元，占2020年中国大陆封测产品销售额的73.3%。2021年中国大陆封测产品销售额降至2466.35亿元，同比下降1.7%，2022年将再次增长，预计增至2743.44亿元，同比增长11.2%，预计2026年中国大陆集成电路封测市场规模将达4551.04亿元，如图20所示。包括BGA、CSP、WLP、FO、SiP和2.5D/3D等在内的先进封装业务占比也逐年上升，2021年中国大陆规模以上的集成电路封测企业先进封装产品销售额占整个封装产业的35%左右，在保持增长势头的同时，与国际大厂仍有不小的差距。

目前中国大陆产业领头羊多注重基于解决集成电路工艺瓶颈的产业化，对于核心高端产品技术以及面向多功能与集成度的前瞻性技术缺乏相关技术布局。以长电科技、通富微电、华天科技、华进半导体为代表的封装企业，在WLP、SiP及三维堆叠等方向实现部分产品量产与应用。开展先进封装主要的研究机构，如中国科学院微电子研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、清华大学、北京大学、武汉大学、华中科技大学、北京理工大学、桂林电子科技大学、中国电子科技集团有限公司、中国航天科技集团有限公司等单位已形成了较强的研发力量，在晶圆级/板级扇出型封装、异质芯片2.5D集成、Si基芯片3D叠层封装等技术方面，经过长期的实践摸索，形成的技术积累缩短了与国外先进封装技术的差距。图为中国科学院微电子研究所联合华进半导体开发的三维堆叠芯片封装。

与世界先进水平相比，中国大陆先进封装技术存在以下问题。

（1）目前中国大陆封装领域总体仍以传统的中低端封装为主，从先进封装营收占总营收的比例和高密度集成等先进封装技术发展方面，仅FC技术相对成熟，而以TSV为代表的2.5D/3D封装和以扇出型封装为代表的高密度扇出型技术，与国外公司的技术差距明显，在先进封装全球产业链中仍未占据重要位置，中国大陆总体先进封装技术水平与国际领先水平还有一定的差距。未来对高端先进封装技术的需求将越来越多，因此实现高端先进封装技术突破越来越重要。

（2）先进封装关键装备及材料尚未实现自主可控。支撑中国大陆封装产业链发展的整体基础技术水平不高，先进封测技术所需的关键封装、测试设备和材料主要依赖进口，难以满足市场需求。

（3）先进封装设计主要依赖境外商用EDA工具，中国大陆封装级EDA还处于起步阶段，与境外主流EDA厂商差距比较明显，市场占有率较低，用户反馈和迭代次数少，导致中国大陆EDA工具发展缓慢。


06
中国大陆先进封装技术发展建议

针对中国大陆先进封装领域的薄弱环节，重点攻关核心封装工艺、关键封装装备及材料痛点，加快布局EDA工具，推进中国大陆集成电路封装领域自主可控高质量发展。

（1）先进封装工艺。基于明确的产业应用需求，开发合适的封装工艺，并重点攻关核心封装工艺，对于需在前道平台上加工的部分工艺，需明确前道和后道工艺分工，进行前、后道协同设计和迭代优化。

（2）核心封装材料。首先形成良好的材料—封装—应用产业链，基于产业应用需求，对标国外进口材料，材料厂商开发相应的封装材料，并测试评估和比较材料性能。然后，在国内先进封装平台上进行多轮迭代使用，最终实现进口材料国产化替代。

（3）关键封装装备。随着应用需求的不断递进，先进封装技术不断升级，封装厂商需向装备厂商提出明确的需求，并与设备厂商协同开发关键封装装备。然后，在国内先进封装平台上，加快国产装备的试用和迭代。

（4）EDA工具。发展国产EDA工具是一个漫长的过程，需要用户不断反馈和软件迭代。发展国产EDA工具不仅仅局限于EDA算法和点工具研究，还需做好规划，具有集成能力，最终形成自主可控的EDA平台。

（5）产业链。预防美国针对中国大陆集成电路高端技术的进一步出口管制，加快发展中国大陆集成电路封装领域创新联合体，强化建设先进封装联合攻关公共平台，完善国内芯粒异质集成产业链。


最后

近年来，以高性能计算、人工智能和5G通信为代表的需求牵引，加速了集成电路的发展，以尺寸微缩为主线的摩尔定律发展放缓，22 nm工艺节点以下芯片的设计和制造成本呈指数级增加，芯片尺寸受限于光刻机的最大曝光面积，单一衬底上可集成的功能有限，SoC单片向芯粒异质集成“改道”是集成电路发展的重要趋势。依据功能划分，将原先的大尺寸SoC芯片拆成芯粒，主要功能采用先进制程，次要功能采用成熟制程，再通过先进封装技术，实现成本较低、性能接近的集成电路产品，其中先进封装技术不再局限于后道工艺，一些关键工艺需在前道平台上进行，因此需进行前后道协同设计开发。中国需快速布局芯粒领域的技术研发，通过路径创新，降低中国大陆集成电路发展同集成电路既有全球体系直接对冲的风险，实现灵活、高效、系统级的新型集成电路发展模式，推动集成电路的创新发展与自主可控。