先进封装技术的诞生

半导体封装技术的发展可分为四个阶段：第一阶段（1970年前），直插型封装，以DIP为主；第二阶段（1970—1990），表面贴装技术衍生出的SOP、SOJ、PLCC、QFP四大封装技术以及PGA技术；第三阶段（1990—2000），球栅阵列（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、倒装芯片（FC）等先进封装技术开始兴起；第四阶段（2000—至今），从二维封装向三维封装发展，从技术上实现晶圆级封装（WLP）、硅通孔（TSV）、3D堆叠等先进封装技术，以及系统封装（SiP）等新的封装方式。

在过去的40年时间，半导体技术遵循著名的摩尔定律高速发展。如今，半导体器件特征尺寸已经缩小到5nm，同时CMOS晶体管技术的发展已进入GHz时代。尽管尺寸还在进一步降低，但速度已经明显减慢，且面临的问题也越来越多。比如信号传输延迟、交互干扰噪声，以及相互连线的功率消耗等问题已经成为甚大规模集成电路（ULSI）发展的阻碍，严重影响器件的性能。以前的解决方案主要是依靠器件尺寸的按比例缩小来提升性能。为了与器件相匹配，互连尺寸也随着半导体加工技术的发展不断缩小。因此，单纯的依靠尺寸缩小获得集成电路在成本、功耗和性能方面的提升，变得越来越难。

为达到低功耗、高性能、小型化和多功能化等需求，先进封装被认为是超越摩尔定律的重要途径。先进封装可以将多个不同材料、不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如MEMS或光学器件等其他器件优先组装到一起。

三种先进封装技术

Yole预测，先进封装市场将在2022年时达到年营收约为329亿美元，12英寸晶圆数由2016年的0.21亿片将增至2022年0.34亿片。先进封装的市场规模预计2022年将超过传统封装的规模。先进封装市场的营收将以6.6%的年复合增长率增长，而传统封装市场CAGR仅为1.1%。在不同的先进封装技术中，3D硅通孔（TSV）和扇出晶圆级封装（Fan-out）将分别以23%和36%的速度成长。构成大多数先进封装市场的覆晶封装（Flip-chip）将以近5%的CAGR成长。而扇入型晶圆级封装（Fan-in WLP）的CAGR也将达到8%，主要由移动通信推动。先进封装发展大致分为2.5D/3D封装技术、Fan-out封装技术和Chiplet封装技术。

对于2.5D/3D封装技术来说，目前，高密度互连3D集成技术的市场规模较小，使用率较低，主要还是集中在2.5D领域，主要的技术有台积电推出的CoWoS技术、英特尔推出的EMIB技术、三星提出的I-Cube技术，还有安靠/矽品提出的SLIM/SLIT技术。台积电已经推出第三代的CoWoS封装技术，已经协助台积电拿下芯片大厂NVIDIA、超微（AMD）、Google、Xilinx、海思等高端HPC芯片订单。为迎合人工智能时代高性能计算芯片的需求，台积电第五代CoWoS封装技术问世。

对于Fan-out封装技术而言，由于其技术的灵活性，使得世界上主流的研究机构、晶圆制造企业、封装企业和基板企业等都加入到了这一领域的研发和竞争中。星科金朋和Nanuium公司以英飞凌公司的技术为主导，如今市场份额相对较大。而台积电与苹果公司联手开发的In-FO技术，成功用于苹果A10处理器，迅速占领Fan-out封装市场，实现量产化。除了台积电之外，STATS ChipPAC将利用JCET的支持进一步投入扇出型封装技术的开发。ASE则和Deca Technologies建立了深入的合作关系，Amkor、SPIL及Powertech正瞄准未来的量产布局Fan-out型封装技术。

英特尔在2014年推出的EMIB则是2.5D封装的低成本代替方案，而在2018年Hotchips会议上英特尔再次展示了EMIB封装技术，能够把10nm、14nm及22nm不同工艺的核心封装在一起做成单一处理器。EMIB封装技术可以根据需要，封装成不同的CPU核心、IO、GPU核心，甚至FPGA、AI芯片。

在后摩尔时代，Chiplet概念逐渐成为集成电路产业讨论的热点。2018年，Intel推出其Chiplet解决方案Foveros，是一种采用3D堆叠的异构系统集成技术。该技术逻辑芯片和存储芯片等通过极细间距的微凸点集成到有源转接板（Active Interposer）上，利用转接板上的TSV进行联通。终端厂家AMD利用Chiplet概念推出的RYZEN和EPYC处理器引起了业界广泛的关注。

先进封装技术面临多项挑战

在后摩尔时代，继续突破数字电路的特征极限，开发更先进的FinFET技术，但由于前期投入巨大，目前只有台积电和三星两家顶级晶圆厂在一直推动。随着集成电路工艺的演进，先进节点技术的设计难度和复杂度的持续提高，开发成本呈指数增加，目前5nm制程芯片已实现量产，其高昂的开发成本、较长的开发周期是大多数企业所不能承受的。

先进封装技术作为超越摩尔定律发展的重要手段之一，实现不同工艺器件的一体化互连是当前电子系统小型化、实用化、多功能化的使能技术。异构集成封装技术是后摩尔时代提高集成电路性能、实现系统化、提升能效比的关键技术路径。然而，先进封装的高技术难点以及高开发成本也制约着其发展。

硅转接板技术逐渐成为小尺寸芯片集成的重要解决方案。硅转接板是逻辑芯片、存储芯片，甚至可能和混合信号或模拟电路异质集成的关键基底，但硅转接板目前存在的成本问题限制了其进一步发展。因此众多厂商一直寻求TSV-less技术的替代解决方案，以提供相近的互连密度，其也是OSAT厂家在先进封装中的重要发展方向。

采用Chiplet模式开发芯片，需要先将所需功能进行分解，有针对性的开发多种具有特色功能、可以实现模块化组装的裸芯片，彼此能实现如高性能计算、数据传输和存储等功能，最后通过系统集成封装技术形成完整的芯片。当然，目前芯粒概念的大规模应用面临的诸多挑战，如接口标准化、裸芯片间互连功耗过大以及高成本等都是未来需要业界解决的问题。

中国大陆的封测产业主要采用封测代工厂的模式。2000年前后，全球领先的封测代工厂已经实现了倒装芯片类封装（FCBGA、FCCSP）及倒装凸点技术的量产，而中国大陆这些封装技术也基本是在2009年之后开始推进研发与量产的。2010年以来，中国大陆的封测产业有着非常迅速的发展。2010年长电科技进入全球封测代工厂前十名，2013年前后进入前六，之后通过收购星科金朋成为全球第四，目前其规模已成为全球第三封测代工厂，通富微电和华天科技分别成为全球排名第六和第七的封测代工厂。在产业规模上，2018年中国大陆这三家封测代工厂已经达到全球封测代工的20.6%。

从现阶段全球领先的封测企业的服务来看，倒装芯片封装（含倒装凸点技术）、晶圆级封装、三维封装、系统级封装等先进封装技术是未来的发展主线，同时传统的基于引线键合的引线框架类封装也在不断发展和进步以适应不同的产品应用。

中国大陆封测产业在引线框架类封装、基板类封装、晶圆级封装以及集成封装等方面都出现了明显的进步。目前，国内集成电路三大先进封装技术：系统级封装（长电、华天）、晶圆级封装（长电、晶方）、FC倒装（长电、通富）封装技术均己实现并取得突破， 技术能力与国际先进水平基本接近。但是，国内封测行业目前的整体技术水平还没有达到世界先进水平。随着芯片制程的进一步微缩，先进封装技术存在向晶圆厂转移的趋势，如台积电布局封测业务，并垄断高端封测领域，其InFO、CoWoS、SoIC技术锁定量少质精的高端芯片封装，晶圆厂降维整合封测技术对产业格局有着深刻的影响，需要更好地思考中国集成电路封测产业未来的发展之路。

先进封装实际投入不足

集成电路是我国信息化时代必须解决的战略性问题。我国集成电路先进封装技术与全球尖端技术还存在一定的差距。目前，我国集成电路产业发展迅速，但是，资源不平衡是目前存在的一个基本问题。例如，从投资来看，90%以上的资金都投入芯片生产，但是其中70%~80%的钱都用于买国外的设备和材料，在先进封装上实际投资不到10%，所以整个产业链的投资呈现出一个不健康的状态，这是我国集成电路产业的软肋。

从最近几年的国际形势发展来看，我国必须在先进封装上加大投入补链、强链，形成设备、材料、设计、制造、封测等全产业链齐头并进、个别环节世界领先的局面，以保证中国集成电路产业的健康稳定发展。

当前，在先进封装领域，一是要抓住机遇，充分发挥我国作为全球规模最大、增长最快市场的优势，强化特色工艺及封装测试产业链的协同创新，建立核心创新中心，加强薄弱环节，不断缩小差距，实现跨越。二是要打破瓶颈，着力突破特色工艺及封装测试技术的瓶颈，抢占时机，将先进核心技术掌握在自己手中，充分发挥市场配置资源的决定性作用，借助各级政府的扶持及社会资金支持，来应对这类投资额巨大且回报周期长的产业，跨过大规模投入的门槛。

三是要突出重点，协同发展，整合资源，加强特色工艺及封装测试产业链的联动，统筹技术、产业、应用、安全等生态链的系统发展。四是以企业为主体，市场为导向，在政府的推动下，积极发挥市场在资源配置中的决定性作用，由企业根据市场需求决定产品的方向以及技术路径，激发企业的活力与创造力，实现特色工艺及封装测试产业的快速发展。

（华进半导体封装先导技术研发中心有限公司副总经理、江苏省产业技术研究院半导体封装技术研究所常务副所长 秦舒）

（来源：中国电子报）