台积电打响先进封装“攻坚战”

如果说此前封装技术还被认为是归于产业链后端流程的技术，现在“时代变了”。台积电在官网关于3D封装如此介绍，计算工作的负载在过去十年中的发展可能比前四个十年都要大。云计算、大数据分析、人工智能(AI)、神经网络训练、人工智能推理、先进智能手机上的移动计算甚至自动驾驶汽车，都在推动计算向极限发展。在这过程中，封装技术也被推向了创新的前沿，其对产品的性能、功能和成本有着至关重要的影响。也因此，封装技术不再是后端流程的“专属”，晶圆代工巨头也开始纷纷入局。晶圆代工龙头台积电在先进封装的超前布局近日，因为疫情因素，行业热点大会HotChips33在线上展开。台积电PathfindingforSystemIntegration副总经理余振华主要分享了台积电的chiplet（小芯片）和3D封装技术。余振华介绍了台积电3DFabric技术平台的细节，该技术平台包含台积电前端芯片堆叠SoIC技术和后端先进封装CoWoS和InFO技术。其实，早于2020年，台积电就表示已整合旗下SoIC、InFO及CoWoS等3DIC技术平台，并命名为“3DFabric”。根据PPT展示，SoIC技术包括CoW和WoW两种键合方式。根据互连方式的不同，InFO可以分为InFO-R和InFO-L两种；CoWoS则分为CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L三种。余振华认为，封装领域正在发生新的变化，主要包括以下两点：-小芯片和3D先进封装技术将会开启一个新时代；-从CMOS转变到CSYS（互补系统、SOC和小芯片集成），可以实现从摩尔到超越摩尔的过渡；台积电还对3DFabrics进行了更新。随着时间发展，台积电的先进封装技术也会从InFO和CoWoS变为SoIC+InFO、SoIC+CoWoS的方式。台积电还介绍了包括拥有针对移动AP的InFO_B(BottomOnly)技术和针对HPC的chiplet集成技术InFO-R/oS的更新。面向超高性能的计算系统，台积电也提供了InFO_SoIS和InFO_SoW两种技术。并且，该技术可以确定使用在tesla最新的AI芯片上。值得一提的是，InFO_SoW是业界第一个全晶圆异质集成技术，在带宽密度和PDN阻抗上具有显著优势。接下来是CoWoS-S封装技术。该技术已经量产超过十年，且拥有极高的良率和质量，能够为先进的SoC和HBM集成提供友好支持。台积电预计将在今年晚些时候发布第5代CoWoS-S封装解决方案，这将使晶体管数量比第3代封装解决方案增加20倍。新封装将增加3倍的中介层面积、8个HBM2e堆栈（容量高达128GB）、以及提供全新的TSV解决方案。到第6代，新封装将拥有更大的掩模版面积，以集成更多的小芯片和更多的DRAM封装。接着，余振华介绍了台积电3D芯片堆栈——SoIC。按照规划，台积电在CoW方面正在开发N7-on-N7和N5-on-N5等；WoW方面，台积电则在开发Logic-on-DTC（DeepTrenchCapacitor）。此外，台积电也公布了其SoIC研发进度。当前，CoW和WoW都为N7/N6工艺，预计明年将会实现基于N5工艺。会上，还透露了台积电芯片互连路线图，预计将于2035年前实现1μm以内的SoIC互连。在介绍完了封装技术外，余振华还介绍了台积电的全新异构集成技术，包括现金的热解决方案和硅光集成。余振华最后总结了以下三点内容：1.台积电3DFabricTM技术平台将继续扩大封装规模，减少3D堆叠互连密度，从而提升功耗表现。2.利用3DFabric集成创新的SiPh组件(COUPE)可进一步增强系统性能；3.新的微型冷却系统-ISMC和DWC也可以解决热能瓶颈，以实现更多的3D堆叠。先进封装未来可期近日，中国台湾工业技术研究院研究总监杨锐预测，台积电将再主导芯片制造行业五年，此后3D封装将成为主要工艺挑战。其实，除了台积电之外，英特尔和AMD均在本次大会上提到了3D封装技术。此外，另一家行业巨头三星同样也在加强部署3D封装技术。为何3D封装技术会成为行业巨头们“不约而同”的选择？在过去的十年里，各种计算工作量发展迅速，但摩尔定律却面临着失效的风险。面对更多样化的计算应用需求，为了将更多的功能“挤”进同一个芯片中，先进封装技术成为持续优化芯片性能和成本的关键创新路径。由此，也将带动先进封装市场的荣景。根据YoleDeveloppement最新的数据，2020年至2026年，先进封装市场复合年增长率约为7.9%。到2025年，该市场营收就将突破420亿美元，这几乎是传统封装市场预期增长率(2.2%)的三倍。其中，3D封装在集成度、性能、功耗等方面更具优势，同时设计自由度更高，开发时间更短，是各封装技术中最具发展前景的一种。当前，随着高效能运算、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和存储器开始采用3D封装。根据Yole、集微咨询综合整理，按晶圆数量（折合12英寸）来看，2019年约2900万片晶圆采用先进封装，这一数字到2025年增长为4300万片，复合年均增长率为7%。其中倒装技术占比最高，晶圆数量达3072万片，3D封装增速最快，CAGR约为25%。总结：随着行业巨头的涌入和超前布局，3D先进封装的未来已逐渐明朗。“后摩尔时代”，先进封装技术的未来值得期待。