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先進(jìn)封裝:成后摩爾時(shí)代提升性能的主要技術(shù)

智能計(jì)算芯世界 ? 來(lái)源:智能計(jì)算芯世界 ? 2023-06-11 10:14 ? 次閱讀

本文來(lái)自“深度報(bào)告:大算力時(shí)代下先進(jìn)封裝大有可為(2023)”,重點(diǎn)分析了摩爾定律經(jīng)濟(jì)效能達(dá)到瓶頸,先進(jìn)封裝提升芯片系統(tǒng)性能、封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):芯片性能不斷提高、系統(tǒng)趨于小型化、先進(jìn)封裝的技術(shù)與形態(tài)根據(jù)需求不斷迭代,多應(yīng)用于高性能場(chǎng)景。

摩爾定律是指隨著技術(shù)演進(jìn),芯片上容納的晶體管數(shù)量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),每1.5-2年翻一倍,同時(shí)帶來(lái)芯片性能提升一倍或成本下降一半的效應(yīng)。隨著芯片制程工藝的不斷發(fā)展,芯片上容納的晶體管數(shù)量不斷增加,但單位數(shù)量晶體管的成本下降幅度正在持續(xù)降低。根據(jù)IBS的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè),從16nm到10nm,每10億顆晶體管的成本降低了30.7%,從7nm到5nm成本下降了17.8%,而從5nm到3nm成本僅下降了4.2%。

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先進(jìn)封裝成為超越摩爾定律、提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵路徑之一。目前集成電路發(fā)展主要沿著兩個(gè)技術(shù)路線進(jìn)行,一個(gè)是摩爾定律的延伸,即向芯片小型化的方向發(fā)展,通過(guò)微縮半導(dǎo)體器件的晶體管尺寸以增加可容納的晶體管數(shù)量,以單個(gè)芯片性能的提升為目標(biāo);另一個(gè)是超越摩爾定律,即以先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展為主要方向,將處理、模擬等多種芯片集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package, SiP),以系統(tǒng)性能的提升為目標(biāo)。 封裝技術(shù)的發(fā)展史是芯片性能不斷提高、系統(tǒng)不斷小型化的歷史。封裝是半導(dǎo)體晶圓制造的后道工序之一,目的是支撐、保護(hù)芯片,使芯片與外界電路連接、增強(qiáng)導(dǎo)熱性能等。封裝技術(shù)的發(fā)展大致分為4個(gè)階段:

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第一、第二階段(1990年以前)以DIP、SOP和LCC等技術(shù)為主,屬于傳統(tǒng)封裝;第三階段(1990至2000年)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用先進(jìn)封裝技術(shù),這一階段BGA、CSP和FC技術(shù)已開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn);第四階段(2000年至今),先進(jìn)封裝技術(shù)從二維開(kāi)始向三維拓展,出現(xiàn)了2.5D/3D封裝、晶圓級(jí)封裝、扇出型封裝等封裝技術(shù)。先進(jìn)封裝也稱為高密度封裝(HDAP,High Density Advanced Package),采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝對(duì)芯片進(jìn)行封裝級(jí)重構(gòu),并有效提升系統(tǒng)性能。相較于傳統(tǒng)封裝,先進(jìn)封裝具有引腳數(shù)量增加、芯片系統(tǒng)更小型化且系統(tǒng)集成度更高等特點(diǎn)。 先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展主要朝上游晶圓制程和下游模組兩個(gè)方向。 1)向上游晶圓制程領(lǐng)域發(fā)展,該方向發(fā)展的技術(shù)即晶圓級(jí)封裝,通過(guò)晶圓重構(gòu)工藝在晶圓上完成重布線,并通過(guò)晶圓凸點(diǎn)工藝形成與外部互聯(lián)的金屬凸點(diǎn)以進(jìn)行封裝,該技術(shù)的特點(diǎn)是可以在更小的封裝面積下容納更多的引腳; 2)向下游模組領(lǐng)域拓展,即發(fā)展系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù),將以前分散貼裝在PCB板上的多種功能芯片,包括處理器、存儲(chǔ)器等功能芯片以及電容電阻元器件集成為一顆芯片,壓縮模塊體積、縮短電氣連接距離,提升芯片系統(tǒng)整體功能性和靈活性。 先進(jìn)封裝的四要素是Bump、RDL、Wafer和TSV,具備四要素中任意一種技術(shù)即為先進(jìn)封裝。

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1)Bump(金屬凸點(diǎn))技術(shù),普遍應(yīng)用于Flip-Chip(倒裝焊)技術(shù)中,處于晶圓之間互聯(lián)的位置,起著電氣互聯(lián)和應(yīng)力緩沖的作用,其發(fā)展趨勢(shì)是使金屬凸點(diǎn)越來(lái)越小,直至發(fā)展為Hybrid Bonding(混合鍵合)技術(shù),該技術(shù)制造的電介質(zhì)表面光滑、沒(méi)有凸點(diǎn),且具有更高的集成密度; 2)RDL(重布線層)技術(shù),用于X與Y平面電氣延伸和互聯(lián),適用于為I/O端口進(jìn)行寬松排布,廣泛應(yīng)用于WLP(晶圓級(jí)封裝)技術(shù)和2.5D/3D技術(shù)中,但不適用于Flip-Chip技術(shù); 3)Wafer(晶圓)技術(shù),可以用作芯片的基底和WLP封裝的載體,也可以與硅基板一同實(shí)現(xiàn)2.5D集成,技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是使Wafer面積逐漸增大; 4)TSV(硅通孔)技術(shù),用于Z軸電氣互聯(lián),是實(shí)現(xiàn)多維立體結(jié)構(gòu)封裝的關(guān)鍵技術(shù)。 RDL和TSV使封裝技術(shù)在X-Y-Z三維空間中具備延伸和發(fā)展的可能性。重布線層(RDL)技術(shù)使得晶圓級(jí)封裝得以在X-Y平面進(jìn)行延伸,誕生了WLCSP、FOWLP、INFO、FOPLP、EMIB等技術(shù)。基于硅通孔(TSV)技術(shù),封裝系統(tǒng)沿著Z軸進(jìn)行延伸,實(shí)現(xiàn)了二維向三維的拓展,出現(xiàn)了2.5D和3D集成,并演變出CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、Foveros、SoIC、X-Cube等技術(shù)。 先進(jìn)封裝的技術(shù)與形態(tài)會(huì)根據(jù)應(yīng)用側(cè)需求不斷變化與迭代。從WLP、SiP、2.5D/3D等技術(shù)方案出發(fā),各廠商根據(jù)應(yīng)用側(cè)需求進(jìn)一步迭代出更深層的技術(shù)。以晶圓級(jí)封裝(WLP)技術(shù)為例,起初WLP技術(shù)采用Fan-in形態(tài),隨著引腳數(shù)要求增加,F(xiàn)an-out形態(tài)逐漸成為主流;而后出于提升系統(tǒng)性能的目標(biāo),臺(tái)積電將多個(gè)芯片F(xiàn)an-out工藝集成起來(lái),誕生了INFO技術(shù);而從節(jié)省成本的角度出發(fā),單個(gè)芯片的FOWLP技術(shù)又進(jìn)一步迭代出面板級(jí)封裝技術(shù)(FOPLP)。

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先進(jìn)封裝技術(shù)能提升系統(tǒng)的功能密度,多應(yīng)用于高性能場(chǎng)景。目前主流的先進(jìn)封裝技術(shù)主要由國(guó)際半導(dǎo)體龍頭廠商研發(fā),技術(shù)研發(fā)的維度從2D逐漸提升至2.5D和3D,系統(tǒng)的功能密度也隨之提升。同時(shí),先進(jìn)封裝主要應(yīng)用于高性能計(jì)算、高端服務(wù)器等領(lǐng)域,因此產(chǎn)品技術(shù)壁壘與價(jià)值量相對(duì)傳統(tǒng)封裝會(huì)更高。

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系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)屬于廣義的先進(jìn)封裝,側(cè)重于系統(tǒng)屬性。SiP是指在封裝內(nèi)形成一個(gè)系統(tǒng),關(guān)注系統(tǒng)在封裝內(nèi)的實(shí)現(xiàn),所以系統(tǒng)是其重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象,與之對(duì)應(yīng)的是CSP(單芯片封裝)。但SiP并不是先進(jìn)封裝特定的某種技術(shù)方案,因?yàn)镾iP可能采用傳統(tǒng)的Wire Bonding工藝,也可能采用先進(jìn)封裝的Flip Chip工藝。但隨著系統(tǒng)對(duì)性能、功耗、體積的要求越來(lái)越高,集成密度的需求也越來(lái)越高,SiP也會(huì)越來(lái)越多地采用先進(jìn)封裝工藝。在下方示意圖中,SiP指代的是封裝整體,Chiplet/Chip是封裝中的單元,先進(jìn)封裝是由Chiplet/Chip組成的,2.5D和3D是先進(jìn)封裝的工藝手段。

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Chiplet通過(guò)先進(jìn)封裝工藝實(shí)現(xiàn)。Chiplet也稱為小芯片或芯粒,該技術(shù)通過(guò)將多個(gè)芯片裸片(Die)通過(guò)內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)集成在一個(gè)封裝內(nèi),構(gòu)成專用功能的異構(gòu)芯片。通過(guò)采用2.5D、3D等高級(jí)封裝技術(shù),Chiplet可實(shí)現(xiàn)多芯片之間的高速互聯(lián),提高芯片系統(tǒng)的集成度,擴(kuò)展其性能、功耗優(yōu)化的空間。相對(duì)SoC系統(tǒng)級(jí)芯片的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,Chiplet技術(shù)方案不需要購(gòu)買IP或者自研生產(chǎn),只需要購(gòu)買已經(jīng)實(shí)現(xiàn)好的小硅片進(jìn)行封裝集成,且IP可以復(fù)用。所以Chiplet可以看成是一種硬核形式的IP,但它是以芯片的形式提供的。

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3D Chiplet是Chiplet進(jìn)一步的發(fā)展。3D Chiplet是由AMD在2021年6月首先提出的,通過(guò)3D TSV將Chiplet集成在一起,同時(shí)為了提高互聯(lián)密度,采用了no Bump的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。目前3D Chiplet產(chǎn)品是由臺(tái)積電以SoIC的先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)行代工,主要應(yīng)用在3D V-Cache上,將包含有64MB L3 Cache的Chiplet以3D堆疊的形式與處理器封裝在一起。

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原文標(biāo)題:先進(jìn)封裝:成后摩爾時(shí)代提升性能的主要技術(shù)

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