2.5D异构和3D晶圆级堆叠正在重塑封装产业

2.5D异构和3D晶圆级堆叠正在重塑封装产业。

堆叠：一种摩尔定律以外的高度集成替代方案

摩尔定律的放缓，为满足行业大趋势严格指标要求的新发明开辟了道路。在封装领域，许多半导体厂商倾向于2.5D和3D堆叠技术，而硅通孔（TSV）是最早的堆叠技术之一。经过数年的发展和对MEMS的关注，它最终进入了许多应用领域。如今，2.5D和3D堆叠技术已成为能够满足当前人工智能（AI）和数据中心等应用性能需求的唯一解决方案。堆叠技术已被应用于高、中、低端市场的各种硬件，包括3D堆叠存储、图形处理单元（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和CMOS图像传感器（CIS）等。

各种应用中先进堆叠封装技术的市场机遇

高带宽存储（HBM）和CMOS图像传感器等硬件占据了TSV市场的大部分营收。堆叠技术整体市场规模将在2023年超过55亿美元，在此期间的复合年增长率（CAGR）可达27%。对于目前来说，消费类市场是最大的细分市场，其市场份额超过了65%。但矛盾的是，这并不意味着消费类市场就是这些技术的主要驱动因素。事实上，高性能计算（HPC）是堆叠技术的真正驱动因素，在2019~2023年期间将呈现最快的增长速度，市场份额预计将从2018年的20%增长到2023年的40%，就封装营收而言，这相当于2018年营收的6倍以上增长。相应的，消费类市场份额将减少，而汽车、医疗和工业等其他市场将维持目前的市场份额。

2018~2023年按市场细分的堆叠技术营收

从TSV到晶圆级堆叠，封装技术正在蓬勃发展

由于堆叠技术竞争主要集中在“TSV”和“无TSV（TSV-less）”之间进行，因此Yole在本报告中针对这两类技术进行了分析。

对于目前的高端市场，市场上最流行的2.5D和3D集成技术为3D堆叠存储TSV，以及异构堆叠TSV中介层。Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWos）技术已经广泛用于高性能计算应用，新的TSV技术将于2019年上市，即来自英特尔（Intel）的Foveros（基于“有源”TSV中介层和3D SoC技术，具有混合键合和TSV互连（可能）技术）。Foveros的出现表明，虽然“TSV”受到了来自“无TSV”技术的挑战，但厂商仍然对它很有信心。

我们不能忽视“无TSV”技术在市场上的兴起。这些创新可以划分为“带基板型（with substrate）”和“嵌入基板（embedded in substrate）”两组。嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）技术已经商业化，是“嵌入基板”组的一种，其Si桥在基板中较深的位置。其他基板技术也正在开发中，但仍未上市，例如集成薄膜高密度有机封装（I-THOP）和倒装芯片-嵌入式中介层载具（FC-EIC）等。

左边是业界标准2.5D封装的芯片，右边是英特尔EMIB封装的芯片

图片来源：《英特尔嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）》

“带基板型”技术也用于TSV替代，例如基板上集成扇出型封装（InFO），它广泛用于苹果公司（Apple）的处理器。此外，再分配层（RDL）中介层技术目前正在开发中，预计将在2020年上市。最后同样需要注意的是，基板上扇出型芯片（Fan Out Chip on Substrate, FOCoS）于2016年开发并商业化，但似乎订单并不多。

堆叠技术赋能的CMOS图像传感器发展路线图

混合键合技术可以桥接“TSV”/“无TSV”这两个主要技术类别。这项技术的独特之处在于它可以同时成为TSV技术的挑战者和支持者。自2016年以来，它一直被用于智能手机的CMOS图像传感器，并且在不久的将来，它将作为一种互连解决方案整合存储和2.5D高端市场。

2018年“无TSV”堆叠技术概览

谁在支持并投资堆叠技术？

各类不同的市场参与方都希望在不断增长的55亿美元堆叠市场中占有一席之地，目前主要有四种商业模式在堆叠业务领域参与竞争：代工厂、集成器件制造商（IDM）、外包半导体封测厂商（OSAT）和IP厂商。

据麦姆斯咨询介绍，台积电（TSMC）、联华电子（UMC）和格芯（GlobalFoundries）等晶圆代工厂，主导了TSV异构堆叠技术，因为它们有能力自己生产中介层。拥有“Foveros”技术的英特尔，是唯一一个试图在这个领域参与竞争的IDM。

对于3D堆叠存储，竞争主要在IDM“三巨头”三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）之间，这些公司将继续统治堆叠存储市场。

同时，3D SoC是一种代工技术，很可能只有一家代工厂会生产它，以确保高良率并控制风险。在这方面，台积电在上市时间的竞争中领先于格芯。

对于“无TSV”技术，竞争主要存在于代工厂、IDM、OSAT和基板制造商之间。三星、英特尔和台积电等厂商，都参与了“有”和“没有”TSV技术的开发。2016年，OSAT巨头日月光（ASE）向市场引入了FOCoS技术，而安靠（Amkor）等其他厂商也已经开发出了合适的技术，但仍然在等待订单中。

日本新光（Shinko）、欣兴电子（Unimicron）以及最近的富士通互连科技（Fujitsu Interconnect）等基板公司，仍然在研发中。IP厂商Xperi的混合键合技术处于“有TSV”和“无TSV”技术之间，预计将对市场产生积极影响。Xperi的另一个优势是其技术兼容高端和中/低端细分市场。

代工厂、IDM和IP厂商相比OSAT在堆叠技术方面有优势，因为后者在获得订单方面有困难。

主要堆叠技术及厂商概览