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先进封装推动半导体产业新发展

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发表于 2022-6-24 11:24 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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近年来,全球半导体封装测试市场规模增长明显,在摩尔定律不断逼近物理极限大背景下,半导体前道和后道工序加速融合,先进封装成为行业关注焦点,并将重塑半导体行业竞争格局。晶圆代工厂、IDM(集成器件制造商)涉足先进封装业务,Chiplet (芯粒)技术引领先进封装发展,多片异构成未来主流;先进封装带动异质器件集成新发展,集成电路加乘人工智能与异质整合成为产业新趋势。同时先进封装也为半导体产业迎来新的机遇与挑战,质量标准体系建设更加迫切,伴随着 Chiplet 和异质整合的发展趋势,商业模式将迎来新变革,对半导体行业影响深远。
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0 前言
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集成电路封装是半导体芯片制造的后道工序(见图 1),是实现芯片功能、保障器件系统正常运行的关键环节之一。随着智能手机、物联网、人工智能、汽车电子等新兴领域用市场的快速发展,带动了全球封装测试产业的持续增长;未来,全球半导体封装测试市场将在传统工艺保持较大比重的同时,继续向着小型化、集成化、低功耗方向发展,附加值更高的先进封装将得到越来越多的应用,据市场研究机构 Yole Developpement 的预测,全球先进封装市场将在 2019-2025 年实现 6.6%的复合年增长率,封装测试业市场有望持续向好。
1 先进封装概念及发展方向

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1.1 集成电路封装发展阶段

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集成电路封装技术的发展可分为四个阶段:第一阶段是 80 年代之前的元件插装,特点是用针脚引出电极连通电信号,主要包括直插型封装(DIP)等技术;第二阶段是 80 年代中期的表面贴装,特点是用更细更短板的引线代替针脚,直接贴装至印刷电路板(PCB),主要包括小外形封装(SOP)等封装技术;第三阶段是 90 年代的面积阵列封装,特点是用体积更小的焊球点代替引线,通过芯片倒扣的方式进行倒装,提升封装密度,主要包括球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、倒装芯片(Flip Chip)等封装技术;第四阶段是 2000 年以来的先进封装,特点是采用堆叠、异质整合(指将不同类型、功能的芯片整合在同一封装体内)等技术,主要包括晶圆级封装(WLP)、硅通孔(TSV)、2.5D 封装、3D 封装、系统级封装(SiP)等封装技术。应该看到,先进封装以“更高效率、更低成本、更好性能”为主要目标,以“小型化、轻薄化、窄间距、高集成度”为主要特征,能够提高设计、加工效率,减少设计成本,是未来封装技术发展的主要方向。
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1.2 先进封装技术发展方向

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先进封装技术未来有两大发展方向:一是晶圆级封装,在更小的封装面积下容纳更多的电极引脚数量,满足“窄间距、高密度”的封装要求;二是系统级封装,通过封装整合多个独立功能的芯片于一体,实现体积微缩,提升芯片系统整体多功能性和设计灵活性。特别是近年来 Chiplet 技术受到广泛关注,利用先进封装技术将多个异构芯片的裸片整合集成为特定功能的系统芯片,是先进封装技术发展的又一突破,有望推动异质整合成为未来芯片设计的主流。

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1.3 典型先进封装技术

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1.3.1 晶圆级封装

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WLP 封装主要有两种类型,即 Fan-in(扇入式)和 Fan-Out (扇出式)。晶圆级封装和传统封装不同在于:一是在封装过程中大部分工艺过程都是对晶圆进行操作,即在晶圆上进行整体封装,封装完成后再进行切割分片。二是此类封装符合消费类电子产品轻、小、短、薄化的市场趋势,寄生电容、电感都比较小,并具有低成本、散热佳等优点。其中,Fan-Out封装技术可以让多种不同裸晶,做成像 WLP 制程一般埋入封装在体内,封装厚度也更加轻薄,有助于提升半导体企业竞争力并节省多层封装客户成本。

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1.3.2 系统级封装
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SiP 封装是指将多种功能芯片(包括处理器、存储器等)集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能的一种封装方式。系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,其相比 SoC(片上系统)芯片而言,具有以下特点:一是 SiP 封装带来研发周期短、节省空间的优势。二是 SiP 封装技术系统集成度高,但研发周期反而短。三是 SiP 封装技术能减少芯片的重复封装,降低布局与排线难度,缩短研发周期。同时采用芯片堆叠的 3D SiP 封装,能降低PCB 板的使用量,节省内部空间。
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1.3.3 Chiplet 封装
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Chiplet 技术被视为延缓半导体摩尔定律的“蹊径”,Chiplet 技术是一种通过总线和先进封装技术实现异质集成的封装形式。Chiplet封装带来的是对传统片上系统集成模式的革新,如表 1 所示,主要表现在:一是降低单片晶圆集成工艺良率风险,达到成本可控,有设计弹性,可实现芯片定制化。二是 Chiplet 将大尺寸的多核心的设计,分散到较小的小芯片,更能满足现今高效能运算处理器的需求。三是弹性的设计方式不仅提升灵活性,且可实现包括模块组装、芯片网络、异构系统与元件集成四个方面的功能。

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2 全球竞逐先进封装行业,半导体行业迎来新变革
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2.1 半导体封装市场规模逐步扩大,先进封装业发展迅猛

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近年来,全球半导体封装市场规模增长明显,主要特征:

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①据市场研究机构 Yole developpment 的数据,2021 年全球封装市场规模约约达 777 亿美元,2025年有望将达到 850 亿美元。市场集中度较为明显,前十大厂商市场份额约为 80%

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如图 2 所示,在这一进程中,先进封装价值得到日益显现,并成为全球竞逐的焦点:随着国际代工模式的兴起,封装行业迎来了良好的发展机遇,2021 年全球先进封装市场占比达到整体集成电路封装服务的 45%,年营业收入约为 350 亿美元。

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如图 3 所示,倒装芯片技术市场比重将长期维持较高份额,包括晶圆级封装技术(包括Fan-out技术)、硅通孔、系统级封装等封装技术未来增长空间广阔。

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纵观全球封装市场,亚太地区已经成为全球集成电路封装测试业的产能集聚地,并吸引了半导体整体产能的转移。
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随着全球封装业的资源协同,先进封装业转向技术输出,从目前全球半导体行业的趋势来看,发展先进封装势在必行。

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2.2 封装技术不断发展,先进封装成为后摩尔时代的主力军
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摩尔定律自从 7nm 工艺节点以后发展速度放缓,故封装行业价值受到更多的重视。先进封装的发展趋于多功能化和系统化,异质整合(HI)的不断发展,晶圆级封装、系统级封装等技术逐步成为行业关注的焦点。异质整合可将不同工艺节点的裸 Die(晶粒)通过 2.5D/3D 堆叠技术封装在一起,成为芯片封装的新趋势;尤其是,近年来具备模块化、定制化的优势的 Chiplet 模式得以兴起,推动了晶圆级封装技术的发展,使得设计、制造与封装成本大大降低;在5G 的高速发展过程中,针对终端设备小型化的趋势,减缓信号传输中的衰减问题,带来了天线与射频前端模块一体化集成的 AiP(封装天线)技术,有助于推动系统级封装的发展。
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2.3 封装发展不断推进半导体产业链整合,带来市场竞争格局的转变

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如表 2 所示,未来封装的发展方向可能不再局限于以往单独代工环节,而是与设计、制造、材料设备相结合的一体化解决方案,集成电路前后道工艺融合发展趋势日益明显。主要驱动力表现在:一是随着先进封装技术的不断发展,特别是晶圆级封装产业规模的不断形成,与芯片设计、制造业的协同发展显得更加重要。二是晶圆级封装的出现模糊了晶圆厂和封装厂之间的界限。前后道工序不断整合,代工厂涉足先进封装业务,例如,台积电公司的晶圆级封装测试业务取得长足进展,成为支撑台湾地区集成电路封装测试业发展的新动能;三是 IDM 公司也纷纷加大对先进封装的投资力度,并推动半导体产业链的进一步整合。例如,英特尔、三星持续性研发先进封装测试技术,进一步推动半导体异质整合的发展。

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3 芯粒模式、异质整合驱动先进封装产业发展
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3.1 芯粒技术引领先进封装发展,半导体产业生态系统迎来新变革
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Chiplet 通常是通过高级封装集成,以及基于标准化接口使用。它在引领先进封装技术发展方面,一是可能带给从上游 IC 设计、EDA 工具、制造、先进封装等各个产业链环节颠覆式的改变。二是Chiplet 或可催生封装行业的“IP 核”,进而将半导体 IP 核扩展至全链条,并进行深度封装架构与标准化接口设计。另外,它在迎来产业生态系统新变革方面,目前,已有很多公司创建了自己的 Chiplet生态系统,包括 Marvell MoChi(模块化芯片技术)、英特尔的 EMIB(硅桥技术)以及新创公司zGlue 提供的产品。
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3.2 多片异构成主流,先进封装带动异质整合新发展
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后摩尔时代,单片同质集成向三维多片异构封装集成“改道”是重要趋势,缘由在于:①因为三维多片异构封装可以提供更高的带宽、更低的功率、更低的成本和更灵活的形状因子 [1] 。实现多片异构的方式有多种,如在 2.5D 封装中,所有晶片朝下,依靠Interposer (硅中介层)做 TSV;而 3D 封装更为复杂,是依靠在硅晶片上直接做 TSV,目前仍依靠 SiP 在硅片和中介层做 TSV 硅通孔,未来的发展趋势是整颗 IC 都应用 3D 封装技术。
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Chiplet 而言,多片异构所需的互联技术引起了更大的关注,不但带来了新的总线技术(如Intel AIB 技术和 AMD Infinity Fabric 技术),还对封装过程中的信号传输保障提出了更高的要求。例如,在 SoC 中的 SerDes (串行 / 解串)技术和 NoC(片上网络)技术在 Chiplet 应用中将扩展至三维,并得到高频应用。

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未来,IC×AI×HI (集成电路加乘人工智能与异质整合)是全球半导体技术重要发展方向,先进封装将是实现异质整合、不可或缺的关键技术。

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4 结束语
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先进封装测试领域已成为全球半导体行业竞逐的关键,Chiplet 技术、异质整合等产业模式的兴起和发展已向我们描绘了未来封装领域的发展蓝图。半导体前道和后道工序加速融合,先进封装成为行业关注焦点,晶圆代工厂、IDM 厂商涉足先进封装业务,并将重塑半导体行业竞争格局。技术创新将成为驱动半导体技术向前发展的关键。未来,借由先进封装技术,集成电路有望通过异质异构系统集成提升密度和性能、实现功耗降低、集成更多功能。封装行业的发展涉及半导体产业链的方方面面,营造良好的产业发展生态,构建健康的产业发展体系至关重要。
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  • TA的每日心情
    开心
    2023-1-3 15:10
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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2022-6-24 13:05 | 只看该作者
    半导体人才荒
  • TA的每日心情
    开心
    2025-7-5 15:59
  • 签到天数: 1125 天

    [LV.10]以坛为家III

    3#
    发表于 2022-6-24 13:46 | 只看该作者
    不错不错,很是专业和内容齐全丰富,琢磨琢磨
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