过去 50 年来,摩尔定律作为半导体行业进步的金科玉律,指导产业长期策略,以及成本控制和研发目标的制定。随着半导体工艺节点向 7nm 及以下发展的速度减慢,摩尔定律是否已达到效率极限引起业界热论。

 

新型应用对芯片的要求越来越高,半导体业界正在积极探索解决方案,IC 设计与制造之外,封装技术受到越来越多的重视。进入 5G 时代,对集成电路封装技术提出了更多需求和挑战。

 

中国半导体协会的数据显示,大陆封测市场规模从 2012 年的 1034 亿元增长至 2019 年的 2350 亿元,年平均复合增长率超过 10%。

 

同时,随着中国大力发展集成电路产业,芯片制造产能国内转移,位于中下游的封测厂将伴随整个集成电路产业的发展趋势,迎来发展机遇。

 

 

SiP 能否延续摩尔定律?

 

在封装技术的走势方面,5G 通信的高频、高速、低时延、多通路的特性为集成电路封装产业带来了新的发展趋势,也是新的技术攻克难点。

 

据贝壳投研统计,5G 终端对射频芯片的需求是 4G 时的 2 倍以上,天线的数量也成倍增长,进一步挤压设备的内部空间,若想继续保持 4G 时期的内部元器件数量或增加更大的元器件如多镜头组合模组,就必须使用更小尺寸的封装芯片,对封测环节提出了更高的要求。

 

在这种趋势下,业界正在积极开发包括 3D 封装、片上系统(SoC)、系统级封装(SiP)等先进封装技术。其中,SiP 已经成为这种趋势下的主流封装解决方案。SiP 给芯片集成提供了一个既可以满足性能需求又能减少尺寸的解决方案。

 

在南京近日举办的 2020 世界半导体大会上,国内封测巨头长电科技技术市场副总裁包旭升表示,摩尔定律与 SoC 发展遇到技术与成本的挑战,SiP 成为微系统小型化的有效方案,将延续摩尔定律。

 

 

SiP(System in a Package),即系统级封装,将多种功能芯片,如处理器、存储器等通过并排或叠加的封装方式集成到一起,形成可实现一定功能的系统或子系统。由于产品功能增多导致电路板空间有限,无法再布局更多元件和电路时,SiP 封装可将各种有源或无源元件高密度的集成在小型有机载板上,以保证产品电性完整性。

 

与其他封装类型相比,SiP 最大的特点是,当产品功能增多、电路板空间布局有限时,能够将性能不同的有源或无源元件集成在一起,实现复杂的异质异构集成需求,既实现了微型化又保证产品的电性完整性。

 

不难理解,集成是延续“摩尔定律”的关键方面,而 SiP 能在不单纯依赖半导体工艺缩放的情况下,实现更高的集成度。SiP 不再一味关注摩尔定律带给芯片的性能上升和功耗下降,而是从市场需求出发,实现终端电子产品的轻薄短小、多功能、低功耗等特性。在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后,SiP 的重要性日益显现。

 

包旭升个人做出大胆预测,“半导体行业将从关注单芯片晶体管数量转化为关注 SiP 封装的晶体管数量或者整体算力(数字类)。性能、成本、空间将成为 SiP 封测技术快速发展的强劲驱动力,SiP 成为业内差异化技术创新的新领域,也成为了长电科技重点业务之一。”

 

SiP 与 Chiplet 的区别

 

异构集成系统提供了一种新的设计方案。在这些系统中,原来集成在 SoC 芯片中的不同功能模块(IP Block)可以在独立的裸片上设计和实现,并可形成标准化的芯片,称为 Chiplet。不同的裸片可以使用不同的工艺节点制造,甚至可以由不同的供应商提供。

 

包旭升向媒体表示,Chiplet 是 SoC 中 IP 模块的芯片化。例如一个 SoC 芯片里面有不同的 IP 模块,但现在不是所有的 IP 模块都要做到 5nm 或更先进制程,把有些 IP 模块单独拿出来做成一个标准化功能的芯片,这个就可以称为 Chiplet,相当于标准化元件。

 

当这个单独的标准化芯片制造完成之后,再在封装里面和其它的功能模块封到一起,做成 SiP。最后,当封装完成后,封装里有 I/O、存储、应用处理或者是运算芯片。其主要目的是为了提高良率和降低成本,同时提高设计的灵活度和降低设计的周期。

 

简单来讲,Chiplet 其实是 SiP 当中的一种芯片,是 SiP 系统级封装集成的典型结构之一。

 

目前,Chiplet 封装已经快速兴起并成为高性能运算应用的技术趋势,但其所需的很多封装工艺是 fab 前道制程的延续,多家 fab 厂、IDM 厂在积极地发展这种封装结构作为摩尔定律的延续,在这个领域封装厂面临很多挑战。在可行性方面也常常受到片间互连的性能和可用性的限制。

 

封测厂在积极发展 2.5D/3D 封装技术的同时,要更加着力发展异质异构的 SiP 模组技术,而成功导入 SiP 模组封装,需要做好协同设计 / 仿真、封装材料的分析与选择、高密度集成工艺的选择、以及采用自动化的制程来保证产品质量等。

 

 

晶圆代工厂加入赛道

翻看芯片发展的历史,其实先进封装这个概念已经存在了数十年。

 

先进封装对延续摩尔定律生命周期的重要性,也引起了晶圆厂商和 IDM 厂商的重视。CINNO Rearch 指出,在后段异质高阶封装技术水平越来越高的发展情况下,封装势必融入前段工艺,为客户提供高经济效益的生产方式,这是晶圆厂商布局先进封装的优势所在。

 

从当前行业趋势可以看到,台积电、三星、英特尔等厂商持续加码先进封装,围绕先进封装技术的争夺愈加激烈。因此,我国封装厂商需要卡位先进封装,把握市场机遇,提升在中高端市场的竞争力与国际话语权,推动我国封测产业的高质量、高端化发展。

 

晶圆级封装和 3D 封装作为未来主要的封装趋势之一,台积电、中芯国际等晶圆代工厂和三星等 IDM 已有涉足,将成为推动先进封装在高端市场渗透的重要力量。

 

对此,包旭升认为,晶圆厂和 IDM 厂商入局封装行业确实会给传统封装厂带来冲击,在 2.5D 和 3D 技术中涉及到许多中道封装,实际上是前道封装的一种延续,而晶圆厂在前道环节是有技术优势的,比如硅转接板(Si TSV Interposer)封装、3D 微凸块 micro-bumps,或者晶圆的 Wafer to Wafer 高密度连接。

 

但是,长电科技在内的后道封装厂商的优势在于异质异构的集成。无论是 Interposer 还是 Chiplet,如何把这些芯片用封装工艺进行高密度集成存在很大技术挑战。后道封装厂在解决这类难题时更有技术积累和技术优势。

 

总结来看,晶圆厂在 2.5D 和 3D 技术领域,利用自身优势,在中道晶圆级环节延续竞争力,对封装厂产生一定影响。但作为封装厂,也有在 2.5D 和 3D 后道封装领域的经验积累和技术壁垒,当下很难判断孰强孰弱。从供应链角度考虑,行业客户更多是期待专业化分工,希望晶圆厂专注做好芯片,封装再单独找其他厂商来做。

 

国产封装材料大有可为

 

在封装材料的分析与选择方面,包旭升在分享中表示,5G 频段对封装材料的分析与筛选的要求提高了很多,封装材料从主攻可靠性提升到需要兼顾可靠性和电性能。以导电和介质材料为例:导电金属材料,例如控制 Cu 表面粗糙度对减少信号传输损失更有效,材料选择中也必须平衡材料特性和封装可靠性。

 

从技术层面出发再到半导体材料封装进出口金额及规模,可以看到中国对于半导体封装材料进口量需求巨大。同时再对比进出口单价情况,从 2017 年开始计算,出口单价仅为进口价格的 60%,价格差距悬殊。也再次反映了中国虽然对于半导体材料的需求巨大,但由于目前技术能力有限所致进出口贸易悬殊巨大,也因此存在巨大的国产替代空间。

 

就目前半导体封装材料现状来看,急需国产技术能力支持,材料量产的一致性和稳定性也需对齐国际厂商。

 

本土封测产业困境与方向

 

当前中国封装产业还存在着许多挑战:一是与国际大厂在先进封装技术的差距和市场份额需要进一步缩小;二是产业链的完善程度有待提升,需补齐和加强在半导体封装材料和设备领域的短板和弱项;三是人才供给全面紧缺;四是需加强对 3D IC 堆叠和 Fan-out 扇出封装等先进封平台和技术的布局;五是供应链的延伸导致封测产业的竞争加剧,晶圆跨界封装越来越成为趋势。

 

挑战犹在,机会尚存。当前,在新基建发展趋势下,以新一代信息技术和数字化为核心,不仅是信息网络融合创新演进形成的新型数字基础设施,比如 5G、工业互联网、卫星互联网、物联网、数据中心、云计算等,还是信息技术赋能传统基础设施转型升级形成的新型社会性基础设施。

 

对于半导体封测行业而言,随着新基建、5G 产业、物联网产业的大规模量产,新的机遇和市场空间也会不断涌现。新的市场机遇将推动行业从百家争鸣的状态向纵深方向发展,进一步聚焦自身特色,在不同的应用领域、不同的产品技术形式上,发挥出不同的企业特色。

 

包旭升强调,长电科技作为全球领先的半导体微系统集成和封装测试服务提供商,提供全方位的微系统集成一站式服务。除了系统级封装,晶圆级封装、3D 封装也是封装业发展的主要趋势。

 

长电科技的未来规划自然也将围绕市场趋势方向,在做好原有业务的基础上,重点发力高性能、高密度的微系统集成封装、晶圆级封装、Chiplet 2.5D/3D 封装,以及面向重点新型领域的工业、汽车领域的封装业务和全面的技术支持与服务。

 

结语

 

如今,外部摩擦风云变幻,全球半导体产业整体成长放缓,全球半导体面临结构调整和产业链产能的重新分析。

 

从产业转移的角度来看,目前大部分集成电路封装企业已经将生产线转移到亚洲,随着代工模式的兴起,我国封测企业将有更多的机会。

 

同时,现阶段 5G、消费电子愈发追求“小而精”的发展趋势,先进封装技术势必成为关注焦点,长电科技在这场竞赛中已处于优势地位。