简单了解几种先进封装技术

在以人工智能、高性能计算为代表的新需求驱动下，先进封装应运而生，发展趋势是小型化、高集成度，历经直插型封装、表面贴装、面积阵列封装、2.5D/3D封装和异构集成四个发展阶段。

先进封装开辟了 More-than-Moore的集成电路发展路线，能够在不缩小制程节点的背景下，仅通过改进封装方式就能提升芯片性能，还能够打破“存储墙”和“面积墙”。

先进封装也称为高密度封装，具有引脚数量较多、芯片系统较小和高集成化的特点。先进封装属于中道工序，包括清洗、溅射、涂胶、曝光、显影、电镀、去胶、刻蚀、涂覆助焊、回炉焊接、清洗、检测等一系列步骤。与传统的后道封装测试工艺不同，先进封装的关键工艺需要在前道平台上完成，是前道工序的延伸。

下面我们简单了解几种先进封装技术。

1．FOWLP

FOWLP (Fan-out Wafer Level Package)是WLP（Wafer Level Package）的一种，因此我们需要先了解WLP晶圆级封装。晶圆级封装可分为两大类型:扇入型WLCSP(Fan-In Wafer Level Chip Scale Package, Fan-In WLCSP)和扇出型WLCSP(Fan-Out Wafer Level Chip Scale Package, Fan-Out WLCSP)。

因为封装完成后再进行切割分片，因此，封装后的芯片尺寸和裸芯片几乎一致，因此也被称为CSP（Chip Scale Package）或者WLCSP（Wafer Level Chip Scale Packaging），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。 FOWLP，由于要将RDL和Bump引出到裸芯片的外围，因此需要先进行裸芯片晶圆的划片分割，然后将独立的裸芯片重新配置到晶圆工艺中，并以此为基础，通过批量处理、金属化布线互连，形成最终封装。FOWLP封装流程如下图所示。

无论是采用Fan-in还是Fan-out，WLP晶圆级封装和PCB的连接都是采用倒装芯片形式，芯片有源面朝下对着印刷电路板，可以实现最短的电路径，这也保证了更高的速度和更少的寄生效应。另一方面，由于采用批量封装，整个晶圆能够实现一次全部封装，成本的降低也是晶圆级封装的另一个推动力量。  

FOPLP采用了PCB上的生产技术进行RDL的生产，其线宽、线间距目前均大于10um，采用SMT设备进行芯片和无源器件的贴装，由于其面板面积远大于晶圆面积，因而可以一次封装更多的产品。相对FOWLP，FOPLP具有更大的成本优势。目前，全球各大封装业者包括三星电子、日月光均积极投入到FOPLP 制程技术中。

2．EMIB EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）嵌入式多芯片互连桥先进封装技术是由英特尔提出并积极应用的，和前面描述的3种先进封装不同，EMIB是属于有基板类封装，因为EMIB也没有TSV，因此也被划分到基于XY平面延伸的先进封装技术。

和硅中介层（interposer）相比，EMIB硅片面积更微小、更灵活、更经济。EMIB封装技术可以根据需要将CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封装到一起，能够把10nm、14nm、22nm等多种不同工艺的芯片封装在一起做成单一芯片，适应灵活的业务的需求。 通过EMIB方式，KBL-G平台将英特尔酷睿处理器与AMD Radeon RX Vega M GPU整合在一起，同时具备了英特尔处理器强大的计算能力与AMD GPU出色的图形能力，并且还有着极佳的散热体验。这颗芯片创造了历史，也让产品体验达到了一个新的层次。  

3．CoWoS HBM的高密度连接和短互联间距，要求台积电的CoWoS封装技术，是 2.5D封装技术。。CoWoS是台积电于2012年研发的一种2.5D集成封装技术,可分为CoW和oS两步,CoW(chip on wafer)是将计算核心、I/O die、HBM等芯片封装在硅中介层上;然后再把CoW芯片整体封装在基板(Substrate)上，即oS(onsubstrate)环节。CoWoS可以节省空间，实现HBM所需的高互联密度和短距离连接;还能将不同制程的芯片封装在一起，在满足AI、GPU等加速运算的需求的同时控制成本。目前所有先进的 Al计算芯片都使用HBM，而几乎所有HBM都封装在CoWoS上。

4．HBM HBM（High-Bandwidth Memory ）高带宽内存，主要针对高端显卡市场。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技术，通过3D TSV把多块内存芯片堆叠在一起，并使用2.5D TSV技术把堆叠内存芯片和GPU在载板上实现互连。下图所示为HBM技术示意图。

HBM目前有三个版本，分别是HBM、HBM2和HBM2E，其带宽分别为128 GBps/Stack、256 GBps/Stack和307 GBps/Stack，最新的HBM3还在研发中。  

5．SoIC

SoIC也称为TSMC-SoIC，是一项新技术——集成片上系统（System-on-Integrated-Chips），预计在2021年，台积电的SoIC技术就将进行量产。 究竟什么是SoIC？所谓SoIC是一种创新的多芯片堆栈技术，能对10纳米以下的制程进行晶圆级的集成。该技术最鲜明的特点是没有凸点（no-Bump）的键合结构，因此具有有更高的集成密度和更佳的运行性能。 SoIC包含CoW（Chip-on-wafer）和WoW（Wafer-on-wafer）两种技术形态，从TSMC的描述来看，SoIC就一种WoW晶圆对晶圆或CoW芯片对晶圆的直接键合（Bonding）技术，属于Front-End 3D技术（FE 3D）,而前面提到的InFO和CoWoS则属于Back-End 3D技术（BE 3D）。TSMC和Siemens EDA（Mentor）就SoIC技术进行合作，推出了相关的设计与验证工具。 3D封装工艺介绍 下图是3D IC和SoIC集成的比较。

具体的说，SoIC和3D IC的制程有些类似，SoIC的关键就在于实现没有凸点的接合结构，并且其TSV的密度也比传统的3D IC密度更高，直接通过极微小的TSV来实现多层芯片之间的互联。如上图所示是3D IC和SoIC两者中TSV密度和Bump尺寸的比较。可以看出，SoIC的TSV密度要远远高于3D IC，同时其芯片间的互联也采用no-Bump的直接键合技术，芯片间距更小，集成密度更高，因而其产品也比传统的3D IC有更高的功能密度。 6．X-Cube X-Cube（eXtended-Cube）是推出的一项3D集成技术，可以在较小的空间中容纳更多的内存，并缩短单元之间的信号距离。 X-Cube用于需要高性能和带宽的工艺，例如5G，人工智能以及可穿戴或移动设备以及需要高计算能力的应用中。X-Cube利用TSV技术将SRAM堆叠在逻辑单元顶部，可以在更小的空间中容纳更多的存储器。 从X-Cube技术展示图可以看到，不同于以往多个芯片2D平行封装，X-Cube 3D封装允许多枚芯片堆叠封装，使得成品芯片结构更加紧凑。芯片之间采用了TSV技术连接，降低功耗的同时提高了传输的速率。该技术将会应用于最前沿的5G、AI、AR、HPC、移动芯片以及VR等领域。  

X-Cube技术大幅缩短了芯片间的信号传输距离，提高数据传输速度，降低功耗，并且还可以按客户需求定制内存带宽及密度。目前X-Cube技术已经可以支持7nm及5nm工艺，三星将继续与全球半导体公司合作，将该技术部署在新一代高性能芯片中。

先进封装对芯片的提升作用包括五个方面:一是实现芯片封装小型化、高密度化、多功能化;二是降低产品功耗、提升产品带宽、减小信号传输延迟;三是可实现异质异构的系统集成;四是延续摩尔定律，提升产品性能的有效途径;五是降低先进节点芯片的设计复杂度和制造成本，缩短开发周期、提高产品良率。

审核编辑：黄飞