电子行业TSV研究框架：先进封装关键技术

1 后摩尔时代，先进封装成为提升芯片性能重要解法

1.1 摩尔定律放缓，先进封装日益成为提升芯片性能重要手段

随着摩尔定律放缓，芯片特征尺寸接近物理极限，先进封装成为提升芯片性 能，延续摩尔定律的重要手段。先进封装是指处于前沿的封装形式和技术，通过 优化连接、在同一个封装内集成不同材料、线宽的半导体集成电路和器件等方式， 提升集成电路的连接密度和集成度。当前全球芯片制程工艺已进入 3-5nm 区间， 接近物理极限，先进制程工艺芯片的设计难度、工艺复杂度和开发成本大幅增加， 摩尔定律逐渐失效，半导体行业进入“后摩尔时代”。前道制程工艺发展受限，但 随着 AI 等新兴应用场景快速发展，芯片性能要求日益提高，越来越多集成电路 企业转向后道封装工艺寻求先进技术方案，以确保产品性能的持续提升。先进封 装技术应运而生，在“后摩尔时代”逐步发展为推动芯片性能提升的主要研发方向。先进封装有多种分类标准，是否有焊线或光刻工序是其中一种区分方式。传 统封装不涉及光刻工序，切割后的晶圆通过焊线工艺实现芯片与引线框架的电性 连接，从而完成芯片内外部的连通。先进封装主要利用光刻工序实现线路重排 （RDL）、凸块制作（Bumping）及三维硅通孔（TSV）等工艺技术，涉及涂胶、曝 光、显影、电镀、去胶、蚀刻等工序。

1.2 先进封装份额占比提升，2.5D/3D 封装增速领先先进封装

AI 带动先进封装需求。TrendForce 报告指出，聊天机器人等生成式 AI 应用 爆发式增长，带动 2023 年 AI 服务器开发大幅扩张。这种对高端 AI 服务器的依 赖，需要使用高端 AI 芯片，这不仅将拉动 2023~2024 年 HBM 的需求，而且预计 还将在 2024 年带动先进封装产能增长 30~40%。先进封装增速高于整体封装，2.5D/3D 封装增速居先进封装之首。根据 Yole， 2021 年，先进封装市场规模约 375 亿美元，占整体封装市场规模的 44%，预计到 2027 年将提升至占比 53%，约 650 亿美元，CAGR21-27为 9.6%，高于整体封装市场 规模 CAGR21-27 6.3%。先进封装中的 2.5D/3D 封装多应用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS 等，受数据中心、高性能计算、自动驾驶等应用的驱动，2.5D/3D 封装市场收入规模 CAGR21-27高达 14%，在先进封装多个细分领域中位列第一。

1.3 先进封装处于晶圆制造与封测的交叉区域

先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域，涉及 IDM、晶圆代工、封 测厂商。先进封装要求在晶圆划片前融入封装工艺步骤，具体包括应用晶圆研磨 薄化、重布线（RDL）、凸块制作（Bumping）及硅通孔（TSV）等工艺技术，涉及 与晶圆制造相似的光刻、显影、刻蚀、剥离等工序步骤，从而使得晶圆制造与封 测前后道制程中出现中道交叉区域。前后道大厂争先布局先进封装，竞争格局较为集中。后摩尔时代，先进制程 成本快速提升，一些晶圆代工大厂发展重心正在从过去追求更先进纳米制程，转 向封装技术的创新。诸如台积电、英特尔、三星、联电等芯片制造厂商纷纷跨足 封装领域。先进封装竞争格局较为集中，全球主要的 6 家厂商，包括 2 家 IDM 厂 商(英特尔、三星)，一家代工厂商(台积电)，以及全球排名前三的封测厂商(日 月光、Amkor、JCET)，共处理了超过 80%的先进封装晶圆。

2 TSV：硅通孔，先进封装关键技术

2.1 TSV：硅通孔技术，芯片垂直堆叠互连的关键技术

TSV（Through Silicon Via），硅通孔技术，是通过硅通道垂直穿过组成堆 栈的不同芯片或不同层实现不同功能芯片集成的先进封装技术。TSV 主要通过铜 等导电物质的填充完成硅通孔的垂直电气互连，减小信号延迟，降低电容、电感， 实现芯片的低功耗、高速通信，增加带宽和实现器件集成的小型化需求。此前，芯片之间的大多数连接都是水平的，TSV 的诞生让垂直堆叠多个芯片 成为可能。Wire bonding（引线键合）和 Flip-Chip（倒装焊）的 Bumping（凸 点）提供了芯片对外部的电互连，RDL(再布线)提供了芯片内部水平方向的电互 连，TSV 则提供了硅片内部垂直方向的电互连。

2.2 TSV 三种主要应用方向：背面连接、2.5D 封装、3D 封装

TSV 有多种用途，可大致分为 3 种：(a) 垂直的背面连接，无芯片堆叠，如“简单的背面连接”。TSV 位于有源晶 粒（active die）中，用于连接至晶圆背面的焊盘（bond pad）；(b) 2.5D 封装。晶粒（die）连接至硅中介层（interposer），TSV 在中介层 中；(c) 3D 封装。TSV 位于有源晶粒中，用于实现芯片堆叠。

（a）TSV 作为简单背面连接：用于 CIS 和锗化硅（SiGe）功率放大器

TSV 三种主要应用方式中，简单的背面连接结构是技术难度最低的，也是 TSV 技术首次大规模投入生产时的应用方向，如 CMOS 图像传感器（CIS）、SiGe 功率 放大器两个产品就应用了 TSV 技术。将 TSV 用于 CMOS 图像传感器有许多优点：1）使用 TSV 代替引线键合可以减小相机模组的尺寸。2）简化了图像传感器的晶圆级封装（WLP）。WLP 工艺的第一步 是将玻璃晶圆附着到图像传感器的正面，防止光刻胶(抗蚀剂)微透镜在组装过程 中受到损坏和污染，然而安装好玻璃晶圆后会使从晶圆正面到焊盘的连接途径受 阻，TSV 通过简化晶圆级封装，对此问题提供了简易的解决方法。

（b）TSV 应用于 2.5D 封装：FPGA

与简单的背面连接相比，2.5D 先进封装的硅中介层需要更小的 TSV 间距 （≤50 μm），因此需要更先进的 TSV 工艺。现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件是最早 使用硅中介层的产品之一：硅中间层可以使芯片间密切连接，整合后的结构看起 来像单个大尺寸的 FPGA 芯片，解决了早期直接构建单个大尺寸 FPGA 芯片的技术 难题。

（c）TSV 应用于 3D 封装：存储器堆叠

储器堆叠是首批应用 3D 堆叠 TSV 结构的产品之一，和 2.5D 封装中硅中阶层 对 TSV 间距的需求相似，但实际应用中难度更高，例如宽 I/O DRAM 设备。使用宽 I/O DRAM 和芯片堆叠的优势包括封装高度降低40%，功耗降低50%， 带宽增加 6 倍。

2.3 国内封测厂 TSV 布局情况：多家头部厂商已有布局

内资封测厂商向 TSV 等先进封装领域突破。全球半导体产业经历二次产业转 移，目前处于第三次产业转移的进程之中，作为半导体领域壁垒相对较低的领域， 封测产业目前主要转移至亚洲区域，主要包括中国大陆、中国台湾、东南亚等。封测是中国大陆集成电路发展最为完善的板块，技术能力与国际先进水平比较接 近，我国封测市场已形成内资企业为主的竞争格局。中国大陆封测市场目前主要 以传统封装业务为主，经过多年的技术创新和市场积累，内资企业产品已由 DIP、 SOP、SOT、QFP 等产品向 QFN/DFN、BGA、CSP、FC、TSV、LGA、WLP 等技术更先进 的产品发展，并且在 WLCSP、FC、BGA 和 TSV 等技术上取得较为明显的突破，产 量与规模不断提升，逐步缩小与外资厂商之间的技术差距，极大地带动我国封装 测试行业的发展。

我国头部封测企业，如长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技已有采用 TSV技术封装的产品批量出货。2.5D/3D封装所需的晶圆内部的加工如TSV加工， 硅转接板加工等工序属于晶圆厂擅长制程，而晶圆，裸芯片(Die)之间的高密度 互联和堆叠，以及和基板，接点的互联技术属于芯片后道成品制造环节的优势。应用于 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装中的 TSV 技术对深宽比等有更高要求，需要用 到诸多前道设备，仍多由晶圆厂来完成。国内封测厂则在先进封装平台、CIS 封 装等领域对 TSV 技术有所布局。长电科技的 XDFOI技术平台有 TSV less 和 TSV 方案。通富微电 2021 年在高性能计算领域建成了 2.5D/3D 封装平台（VISionS） 及超大尺寸 FCBGA 研发平台，并完成高层数再布线技术开发，可为客户提供晶圆 级和基板级 Chiplet 封测解决方案；在存储器领域，多层堆叠 NAND Flash 及 LPDDR 封装实现稳定量产，并在国内首家完成基于 TSV 技术的 3DS DRAM 封装开 发。华天科技工业级 12 吋 TSV-CIS 产品已实现量产。晶方科技应用晶圆级硅通 孔（TSV）封装技术，聚焦以影像传感芯片为代表的智能传感器市场，封装的产品 主要包括 CIS 芯片、TOF 芯片、生物身份识别芯片、MEMS 芯片等，应用于智能手 机、安防监控数码、汽车电子等市场领域。

3 TSV 制造流程及所需设备

3.1 TSV 制造流程