?先進(jìn)封裝，兵家必爭之地

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的歷史長河中，戈登·摩爾是一個不可或缺的名字。去年 3 月，戈登·摩爾逝世于夏威夷的家中，享耆壽 94 歲。由他提出的摩爾定律在引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展近 60 年后，也逐漸走向極限。

摩爾定律預(yù)測，集成電路上的晶體管數(shù)量每隔約 18 個月就會翻倍，與此同時，芯片的性能也會持續(xù)提升。然而，隨著芯片尺寸的不斷縮小，業(yè)界開始面臨前所未有的挑戰(zhàn)。有聲音開始質(zhì)疑，「摩爾定律是否已經(jīng)走到盡頭？」

總有人相信，摩爾定律未死。業(yè)界巨頭如臺積電、英特爾和三星等公司并未放棄，持續(xù)投入大量資金、人力和資源，希望在這場納米尺度的芯片戰(zhàn)爭中取得勝利。

在這場戰(zhàn)爭中，有人不斷研發(fā)新的晶體管架構(gòu)，GAAFET 和 CFET 紛紛出現(xiàn)。與此同時，有人大手筆引入 EUV 光刻機(jī)，大包大攬就希望能夠快人一步。還有人，在積極探索新興的半導(dǎo)體材料，如過渡金屬二硫族化合物和納米碳管，希望從材料方面獲得更多啟示。

在推摩爾定律的路上，總是充滿荊棘。隨著資金的投入和工藝制程的復(fù)雜，很多人意識到，只是單純依靠縮小晶體管來提高芯片性能，已經(jīng)走到了困境。有人提出：如何在不縮小晶體管的情況下，提升芯片整體性能？關(guān)鍵技術(shù)在于先進(jìn)封裝。

先進(jìn)封裝，如同一座金礦，引得各路英雄競折腰。

先進(jìn)封裝發(fā)展到哪里了？

現(xiàn)階段先進(jìn)封裝主要是指倒裝焊（Flip Chip）、 晶圓級封裝（WLP）、2.5D 封裝（Interposer）、3D 封裝（TSV）等。

咨詢公司 YoleIntelligence 稱，未來，全球先進(jìn)芯片封裝市場預(yù)計(jì)將從 2022 年的 443 億美元增長到 2027 年的 660 億美元。在 660 億美元中，3D 封裝預(yù)計(jì)將占四分之一左右，即 150 億美元。

全球前十的封測廠商中，分別是中國臺灣地區(qū)的日月光控股、力成科技、京元電子、欣邦、南茂，中國大陸地區(qū)是長電科技、通富微電子、華天科技、智路封測，美國是安靠。

日月光長期坐穩(wěn)封測第一的寶座，市占率達(dá)到 27.6%。日月光正在從自身的封裝技術(shù)出發(fā)，開始發(fā)展出 2.5D 及 3D 先進(jìn)封裝技術(shù)。力成科技最近表示，已與華邦電子簽訂合作開發(fā) 2.5D（Chip on Wafer on Substrate）/3D 先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)之合作意向書，決定共同攜手進(jìn)軍先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)。

國內(nèi)封測 Top 3，長電科技、通富微電和華天科技也在發(fā)力先進(jìn)封裝。目前長電科技已經(jīng)覆蓋 SiP、WL-CSP、2.5D、3D 等，同時 XDFOI Chiplet 高密度多維異構(gòu)集成系列工藝已按計(jì)劃進(jìn)入穩(wěn)定量產(chǎn)階段。通富微電擁有多樣化 Chiplet 封裝解決方案，已具備 7nm、5nm、Chiplet 等先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢。華天科技同樣已經(jīng)具備 5nm 芯片的封裝技術(shù)，Chiplet 封裝技術(shù)也已量產(chǎn)。

除去封測廠商外，臺積電、三星、英特爾都希望先進(jìn)封裝能夠成為自己手中的尖刀。

臺積電為先進(jìn)封裝準(zhǔn)備已久。在張忠謀于 2011 年重返公司之后，就下定決心要做先進(jìn)封裝。不過由于是半路出家，臺積電先進(jìn)封裝做得不算順利。在當(dāng)初引起關(guān)注的「扇出型晶圓級封裝」中，英特爾、三星分列專利數(shù)第二、三位，臺積電甚至沒進(jìn)前十。

不過，臺積電小試牛刀推出了 CoWoS 技術(shù)。CoWoS 由 CoW 和 oS 組合而來：CoW 表示 Chip on Wafer，指裸片在晶圓上被拼裝的過程，oS 表示 on Substrate，指在基板上被封裝的過程。理論上，CoWoS 可以讓處理器減掉多達(dá) 70% 的厚度。

這個技術(shù)首先在 Xilinx 的 FPGA 上做了實(shí)現(xiàn)，而基于此衍生的 InFO 封裝則在蘋果處理器上大放異彩，并從此讓臺積電的封裝名揚(yáng)天下。

蒼天不負(fù)有心人，自 AI 浪潮的開始，高性能計(jì)算和人工智能市場的快速增長，驅(qū)動了 AMD、英偉達(dá)都在爭搶臺積電先進(jìn)封裝產(chǎn)能，尤其是 CoWoS 產(chǎn)能。到了現(xiàn)在，臺積電的先進(jìn)封裝技術(shù)包括了 TSMC-SoIC、CoWoS 和 InFO。

三星同樣將先進(jìn)封裝看作延續(xù)摩爾定律的鑰匙。三星半導(dǎo)體的先進(jìn)封裝（AVP）技術(shù)包括：I-Cube、X-Cube。

I-Cube 是一種 2.5D 封裝技術(shù)，通過將單個邏輯芯片層和多個堆疊式存儲器芯片層水平并排放置并集成，實(shí)現(xiàn)出色的速度和散熱性能。I-Cube 采用三星的硅通孔（TSV）和后道工序（BEOL）技術(shù)，讓多個芯片各自的專門功能和諧并存，從而提高效率。根據(jù)所用中介層的不同類型，I-Cube 可細(xì)分為 I-CubeS 和 I-CubeE。

X-Cube 是一種 3D 封裝技術(shù)。這種 3D 封裝技術(shù)通過垂直堆疊組件來提高性能，與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比，可縮短互連線長度，并節(jié)省大量片上空間。X-Cube 技術(shù)能夠兼顧高性能與低成本、高帶寬與低功耗。

英特爾在先進(jìn)封裝方面也研究了好幾種方式，部分已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，比如 EMIB、Foveros，部分已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，比如 Foveros Omni、Foveros Direct。

EMIB 意思是「嵌入式多芯片互連橋接」，原理就像蓋四合院，把不同的芯片放在同一塊平面上相互連接。傳統(tǒng)的 2.5D 封裝是在芯片和基板間的硅中介層上進(jìn)行布線，EMIB 則是通過一個嵌入基板內(nèi)部的單獨(dú)的芯片完成互連，可將芯片互連的凸點(diǎn)間距縮小到 45 微米，改善設(shè)計(jì)的簡易性，并降低成本。

Foveros 是 3D 封裝技術(shù)，原理上也不復(fù)雜，就是在垂直層面上，一層一層地堆疊獨(dú)立的模塊，類似建摩天大樓一樣。就像大廈需要貫通的管道用于供電供水，F(xiàn)overos 通過復(fù)雜的 TSV 硅穿孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直層面的互連。

先進(jìn)封裝，紛紛擴(kuò)產(chǎn)

由于芯片短缺和地緣政治緊張局勢，先進(jìn)封裝變得更加重要。2022 年先進(jìn)封裝市場約占整個集成電路封裝市場的 48%，而且市場份額還在穩(wěn)步提升。封裝這條路，從傳統(tǒng)封裝走向先進(jìn)封裝，從舊技術(shù)走向新技術(shù)，這本應(yīng)該是順滑過渡，但 2023 年 AI 訂單需求的增加，對于先進(jìn)封裝的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有產(chǎn)能。

在 AI 的浪潮之下，先進(jìn)封裝領(lǐng)域需求正在呈現(xiàn)水漲船高的局面。這就帶來了先進(jìn)封裝的產(chǎn)能告急。英偉達(dá)等 HPC 客戶訂單旺盛，客戶要求臺積電擴(kuò)充 CoWoS 產(chǎn)能，導(dǎo)致臺積電先進(jìn)封裝 CoWoS 產(chǎn)能吃緊，缺口高達(dá)一至二成。

面對產(chǎn)能吃緊，不少企業(yè)紛紛宣布擴(kuò)產(chǎn)。

首先來看臺積電。在先進(jìn)封裝產(chǎn)能供不應(yīng)求的情況下，臺積電去年 8 月宣布斥資 900 億元新臺幣（約合人民幣 206 億元），在竹科轄下銅鑼科學(xué)園區(qū)設(shè)立生產(chǎn)先進(jìn)封裝的晶圓廠，預(yù)計(jì)創(chuàng)造約 1500 個就業(yè)機(jī)會。

臺積電總裁魏哲家之前曾在法說會提到，臺積電已積極擴(kuò)充 CoWoS 先進(jìn)封裝產(chǎn)能，希望 2024 年下半年后可舒緩產(chǎn)能吃緊壓力。據(jù)了解，臺積電已在竹科、中科、南科、龍?zhí)兜鹊財(cái)D出廠房空間增充 CoWoS 產(chǎn)能，竹南封測廠亦將同步建置 CoWoS 及 TSMC SoIC 等先進(jìn)封裝生產(chǎn)線。

在今年，臺積電的產(chǎn)能將比原定倍增目標(biāo)再增加約 20%，達(dá) 3.5 萬片——換言之，臺積電 2024 年 CoWoS 月產(chǎn)能將同比增長 120%。為了應(yīng)對溢出的先進(jìn)封裝產(chǎn)能，臺積電還委外給日月光承接相關(guān)訂單，推升日月光高端封裝產(chǎn)能利用率激增。

再來看英特爾。英特爾選擇在馬來西亞擴(kuò)張自己的先進(jìn)封裝。英特爾副總裁兼亞太區(qū)總經(jīng)理 Steven Long 表示，目前英特爾正在馬來西亞檳城興建最新的封裝廠，強(qiáng)化 2.5D/3D 封裝布局。這將是繼英特爾新墨西哥州及奧勒岡廠之后，首座在美國之外采用英特爾 Foveros 先進(jìn)封裝架構(gòu)的 3D 封裝廠。

英特爾表示，其規(guī)劃到 2025 年 3D Foveros 封裝的產(chǎn)能將達(dá)到當(dāng)前水平的四倍，屆時檳城新廠將會成為英特爾最大的 3D 先進(jìn)封裝據(jù)點(diǎn)。此外，英特爾還將在馬來西亞另一居林高科技園區(qū)興建另一座組裝測試廠。未來英特爾在馬來西亞的封測廠將增至六座。

作為封測龍頭的日月光也宣布擴(kuò)產(chǎn)。除了前文提到，日月光已經(jīng)接受部分臺積電的溢出產(chǎn)能外。日月光在去年 12 月底，已經(jīng)宣布大舉投資先進(jìn)封裝產(chǎn)能，其子公司將以承租同集團(tuán)臺灣福雷電子高雄楠梓廠房的方式，擴(kuò)充封裝產(chǎn)能。有機(jī)構(gòu)預(yù)測，2023 年里日月光在封測方面的資本支出，60% 都投向了先進(jìn)封裝。

在 2023 年的先進(jìn)封裝激烈競爭中，有一個國家不得不提——美國。2023 年 11 月，美國公布了《芯片法案》的首項(xiàng)研發(fā)投資，劍指先進(jìn)封裝業(yè)。

美國將投資大約 30 億美元，專門用于資助美國的芯片封裝行業(yè)。這項(xiàng)投資計(jì)劃的官方名稱為「國家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃」，其資金來自《芯片法案》中專門用于研發(fā)的 110 億美元資金，與價值 1000 億美元的芯片制造業(yè)激勵資金池是分開的。

美國商務(wù)部表示，美國的芯片封裝產(chǎn)能只占全球的 3%，因此美國制造的芯片往往需要運(yùn)到海外進(jìn)行封裝。砸錢買封裝，美國想補(bǔ)齊自己的封裝短板。

美國自家的企業(yè)安靠出來站臺。在去年 12 月，宣布斥資 20 億美元在美國亞利桑那州皮奧里亞市建造一座先進(jìn)封裝廠。蘋果也表示大力支持，官方宣布將成為半導(dǎo)體封裝大廠 Amkor（安靠）位于美國亞利桑那州 Peoria 新封測廠第一個，也是最大客戶。

先進(jìn)封裝，只是開始

在國內(nèi)封測龍頭長電科技的全球供應(yīng)商大會上，其 CEO 鄭力再談先進(jìn)封裝領(lǐng)域進(jìn)展，表示：「10 月份，我們和全球知名 HPC 芯片客戶見面并形成共識，當(dāng)下所謂的 2.5D Chiplet 先進(jìn)封裝技術(shù)，還存在很多物理性能、電性能、可靠性能方面的問題，目前只是一個開始，還沒有到達(dá)終點(diǎn)，也沒有到成熟定論的階段。這就給封測企業(yè)提出一個非常大的題目，至少有 5、6 種技術(shù)路徑都需要投入開發(fā)，需要大量的資金和人力。」

根據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測，2021-2025 年，中國先進(jìn)封裝市場規(guī)模復(fù)合增速達(dá)到 29.9%，預(yù)計(jì) 2025 年中國先進(jìn)封裝市場規(guī)模為 1137 億元，占中國大陸封裝市場的比例將達(dá)到 32.0%。隨著中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先進(jìn)封裝的滲透率也有望加速提高。

先進(jìn)封裝早已成為了兵家必爭之地。國內(nèi)和海外都在同步加大投入，預(yù)計(jì) 3-5 年后有望成為先進(jìn)封裝比較主流的技術(shù)。