“先進封裝”一文打盡

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2022-03-17 07:49:24 4

一項技術能從相對狹窄的專業領域變得廣為人知，有歷史的原因，也離不開*公司的推波助瀾，把SiP帶給大眾的是蘋果（Apple），而先進封裝能引起公眾廣泛關注則是因為臺積電（TSMC）。蘋果說，我的i Watch采用了SiP技術，SiP從此廣為人知；臺積電說，除了先進工藝，我還要搞先進封裝，先進封裝因此被業界提到了和先進工藝同等重要的地位。近些年，先進封裝技術不斷涌現，新名詞也層出不窮，讓人有些眼花繚亂，目前可以列出的先進封裝相關的名稱至少有幾十種。例如：WLP(Wafer Level Package), FIWLP(Fan-in Wafer Level Package), FOWLP(Fan-Out Wafer Level Package), eWLB(embedded Wafer Level BallGrid Array), CSP(Chip Scale Package), WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package), CoW(Chip on Wafer), WoW(Wafer on Wafer), FOPLP(Fan-Out Panel Level Package), InFO(Integrated Fan-Out), CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate), HBM(High-Bandwidth Memory), HMC(Hybrid MemoryCube), Wide-IO(Wide Input Output), EMIB(Embedded Multi-Die Interconect Bridge), Foveros, Co-EMIB, ODI(Omni-Directional Interconnect), 3D IC, SoIC, X-Cube…等等…這些都屬于先進封裝技術。如何區分并理解這些讓人眼花繚亂的先進封裝技術呢？這就是本文要告訴讀者的。首先，為了便于區分，我們將先進封裝分為兩大類：① 基于XY平面延伸的先進封裝技術，主要通過RDL進行信號的延伸和互連；② 基于Z軸延伸的先進封裝技術，主要是通過TSV進行信號延伸和互連。
基于XY平面延伸的 先進封裝技術

這里的XY平面指的是Wafer或者芯片的XY平面，這類封裝的鮮明特點就是沒有TSV硅通孔，其信號延伸的手段或技術主要通過RDL層來實現，通常沒有基板，其RDL布線時是依附在芯片的硅體上，或者在附加的Molding上。因為最終的封裝產品沒有基板，所以此類封裝都比較薄，目前在智能手機中得到廣泛的應用。

1．FOWLP

FOWLP (Fan-out Wafer Level Package)是WLP（Wafer Level Package）的一種，因此我們需要先了解WLP晶圓級封裝。

在WLP技術出現之前，傳統封裝工藝步驟主要在裸片切割分片后進行，先對晶圓（Wafer）進行切割分片（Dicing），然后再封裝（Packaging）成各種形式。

WLP于2000年左右問世，有兩種類型：Fan-in（扇入式）和Fan-Out（扇出式）WLP晶圓級封裝和傳統封裝不同，在封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓進行操作，即在晶圓上進行整體封裝（Packaging），封裝完成后再進行切割分片。因為封裝完成后再進行切割分片，因此，封裝后的芯片尺寸和裸芯片幾乎一致，因此也被稱為CSP（Chip Scale Package）或者WLCSP（Wafer Level Chip Scale Packaging），此類封裝符合消費類電子產品輕、小、短、薄化的市場趨勢，寄生電容、電感都比較小，并具有低成本、散熱佳等優點。

開始WLP多采用Fan-in型態，可稱之為Fan-in WLP 或者FIWLP，主要應用于面積較小、引腳數量少的芯片。

隨著IC工藝的提升，芯片面積縮小，芯片面積內無法容納足夠的引腳數量，因此衍生出Fan-Out WLP 封裝形態，也稱為FOWLP，實現在芯片面積范圍外充分利用RDL做連接，以獲取更多的引腳數。

FOWLP，由于要將RDL和Bump引出到裸芯片的外圍，因此需要先進行裸芯片晶圓的劃片分割，然后將獨立的裸芯片重新配置到晶圓工藝中，并以此為基礎，通過批量處理、金屬化布線互連，形成最終封裝。FOWLP封裝流程如下圖所示。

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FOWLP受到很多公司的支持，不同的公司也有不同的命名方法，下圖所示為各大公司的提供的FOWLP。

無論是采用Fan-in還是Fan-out，WLP晶圓級封裝和PCB的連接都是采用倒裝芯片形式，芯片有源面朝下對著印刷電路板，可以實現最短的電路徑，這也保證了更高的速度和更少的寄生效應。另一方面，由于采用批量封裝，整個晶圓能夠實現一次全部封裝，成本的降低也是晶圓級封裝的另一個推動力量。 2．INFO InFO（Integrated Fan-out）是臺積電（TSMC）于2017年開發出來的FOWLP先進封裝技術，是在FOWLP工藝上的集成，可以理解為多個芯片Fan-Out工藝的集成，而FOWLP則偏重于Fan-Out封裝工藝本身。 InFO給予了多個芯片集成的空間，可應用于射頻和無線芯片的封裝，處理器和基帶芯片封裝，圖形處理器和網絡芯片的封裝。下圖為FIWLP，FOWLP和InFO對比示意圖。

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蘋果iPhone處理器早年一直是三星來生產，但臺積電卻從蘋果A11 開始，接連獨拿兩代iPhone處理器訂單，關鍵之一，就在于臺積電全新封裝技術InFO，能讓芯片與芯片之間直接互連，減少厚度，騰出寶貴的空間給電池或其他零件使用。

蘋果從 iPhone 7 就開始InFO封裝，后續繼續在用，iPhone 8、iPhone X，包括以后其他品牌的手機也會開始普遍使用這個技術。蘋果和臺積電的加入改變了FOWLP技術的應用狀況，將使市場開始逐漸接受并普遍應用FOWLP（InFO）封裝技術。 3．FOPLP FOPLP（Fan-out Panel Level Package）面板級封裝，借鑒了FOWLP的思路和技術，但采用了更大的面板，因此可以量產出數倍于 300 毫米硅晶圓芯片的封裝產品。 FOPLP技術是FOWLP 技術的延伸，在更大面積的方形載板上進行Fan-Out制程，因此被稱為 FOPLP 封裝技術，其Panel載板可以采用PCB載板，或者液晶面板用的玻璃載板。目前而言，FOPLP采用了如 24×18英寸（610×457mm）的PCB載板，其面積大約是 300 mm硅晶圓的4 倍，因而可以簡單的視為在一次的制程下，就可以量產出 4 倍于300 mm硅晶圓的先進封裝產品。和FOWLP工藝相同，FOPLP 技術可以將封裝前后段制程整合進行，可以將其視為一次的封裝制程，因此可大幅降低生產與材料等各項成本。下圖為FOWLP和FOPLP比較。

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FOPLP采用了PCB上的生產技術進行RDL的生產，其線寬、線間距目前均大于10um，采用SMT設備進行芯片和無源器件的貼裝，由于其面板面積遠大于晶圓面積，因而可以一次封裝更多的產品。相對FOWLP，FOPLP具有更大的成本優勢。目前，全球各大封裝業者包括三星電子、日月光均積極投入到FOPLP 制程技術中。 4．EMIB EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）嵌入式多芯片互連橋先進封裝技術是由英特爾提出并積極應用的，和前面描述的3種先進封裝不同，EMIB是屬于有基板類封裝，因為EMIB也沒有TSV，因此也被劃分到基于XY平面延伸的先進封裝技術。 EMIB理念跟基于硅中介層的2.5D封裝類似，是通過硅片進行局部高密度互連。與傳統2.5封裝的相比，因為沒有TSV，因此EMIB技術具有正常的封裝良率、無需額外工藝和設計簡單等優點。傳統的SoC芯片，CPU、GPU、內存控制器及IO控制器都只能使用一種工藝制造。采用EMIB技術，CPU、GPU對工藝要求高，可以使用10nm工藝， IO單元、通訊單元可以使用14nm工藝，內存部分則可以使用22nm工藝，采用EMIB先進封裝技術可以把三種不同工藝整合到一起成為一個處理器。下圖是EMIB示意圖。 4f15aeef5f25a6d43f421de5333f89f4

和硅中介層（interposer）相比，EMIB硅片面積更微小、更靈活、更經濟。EMIB封裝技術可以根據需要將CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封裝到一起，能夠把10nm、14nm、22nm等多種不同工藝的芯片封裝在一起做成單一芯片，適應靈活的業務的需求。

通過EMIB方式，KBL-G平臺將英特爾酷睿處理器與AMD Radeon RX Vega M GPU整合在一起，同時具備了英特爾處理器強大的計算能力與AMD GPU*的圖形能力，并且還有著*的散熱體驗。這顆芯片創造了歷史，也讓產品體驗達到了一個新的層次。

基于Z軸延伸的 先進封裝技術

基于Z軸延伸的先進封裝技術主要是通過TSV進行信號延伸和互連，TSV可分為2.5D TSV和3D TSV，通過TSV技術，可以將多個芯片進行垂直堆疊并互連。

在3D TSV技術中，芯片相互靠得很近，所以延遲會更少，此外互連長度的縮短，能減少相關寄生效應，使器件以更高的頻率運行，從而轉化為性能改進，并更大程度的降低成本。 TSV技術是三維封裝的關鍵技術，包括半導體集成制造商、集成電路制造代工廠、封裝代工廠、新興技術開發商、大學與研究所以及技術聯盟等研究機構都對 TSV 的工藝進行了多方面的研發。此外，需要讀者注意，雖然基于Z軸延伸的先進封裝技術主要是通過TSV進行信號延伸和互連，但RDL同樣是不可或缺的，例如，如果上下層芯片的TSV無法對齊時，就需要通過RDL進行局部互連。 5．CoWoS
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是臺積電推出的 2.5D封裝技術，CoWoS是把芯片封裝到硅轉接板（中介層）上，并使用硅轉接板上的高密度布線進行互連，然后再安裝在封裝基板上，如下圖所示。

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CoWoS和前面講到的InFO都來自臺積電，CoWoS有硅轉接板Silicon Interposer，InFO則沒有。CoWoS針對高端市場，連線數量和封裝尺寸都比較大。InFO針對性價比市場，封裝尺寸較小，連線數量也比較少。

臺積電2012年就開始量產CoWoS，通過該技術把多顆芯片封裝到一起，通過Silicon Interposer高密度互連，達到了封裝體積小，性能高、功耗低，引腳少的效果。

CoWoS技術應用很廣泛，英偉達的GP100、戰勝柯潔的AlphaGo背后的Google芯片TPU2.0都是采用CoWoS技術，人工智能AI的背后也是有CoWoS的貢獻。目前，CoWoS已經獲得NVIDIA、AMD、Google、XilinX、華為海思等高端芯片廠商的支持。

6．HBM HBM（High-Bandwidth Memory ）高帶寬內存，主要針對高端顯卡市場。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技術，通過3D TSV把多塊內存芯片堆疊在一起，并使用2.5D TSV技術把堆疊內存芯片和GPU在載板上實現互連。下圖所示為HBM技術示意圖。

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HBM目前有三個版本，分別是HBM、HBM2和HBM2E，其帶寬分別為128 GBps/Stack、256 GBps/Stack和307 GBps/Stack，最新的HBM3還在研發中。 AMD、NVIDIA和海力士主推的HBM標準，AMD首先在其旗艦顯卡首先使用HBM標準，顯存帶寬可達512 GBps，NVIDIA也緊追其后，使用HBM標準實現1TBps的顯存帶寬。和DDR5相比，HBM性能提升超過了3倍，但功耗卻降低了50%。 7．HMC HMC（Hybrid Memory Cube）混合存儲立方體，其標準由美光主推，目標市場是高端服務器市場，尤其是針對多處理器架構。HMC使用堆疊的DRAM芯片實現更大的內存帶寬。另外HMC通過3D TSV集成技術把內存控制器（Memory Controller）集成到DRAM堆疊封裝里。下圖所示為HMC技術示意圖。

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對比HBM和HMC可以看出，兩者很相似，都是將DRAM芯片堆疊并通過3D TSV互連，并且其下方都有邏輯控制芯片，兩者的不同在于：HBM通過Interposer和GPU互連，而HMC則是直接安裝在Substrate上，中間缺少了Interposer和2.5D TSV。在HMC堆疊中，3D TSV的直徑約為5~6um，數量超過了2000+，DRAM芯片通常減薄到50um，之間通過20um的MicroBump將芯片相連。以往內存控制器都做在處理器里，所以在高端服務器里，當需要使用大量內存模塊時，內存控制器的設計非常復雜。現在把內存控制器集成到內存模塊內，則內存控制器的設計就大大地簡化了。此外，HMC使用高速串行接口（SerDes）來實現高速接口，適合處理器和內存距離較遠的情況。 8．Wide-IO Wide-IO（Wide Input Output）寬帶輸入輸出技術由三星主推，目前已經到了第二代，可以實現最多512bit的內存接口位寬，內存接口操作頻率最高可達1GHz，總的內存帶寬可達68GBps，是DDR4接口帶寬（34GBps）的兩倍。 Wide-IO通過將Memory芯片堆疊在Logic芯片上來實現，Memory芯片通過3D TSV和Logic芯片及基板相連接，如下圖所示。

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Wide-IO具備TSV架構的垂直堆疊封裝優勢，有助打造兼具速度、容量與功率特性的移動存儲器，滿足智慧型手機、平板電腦、掌上型游戲機等行動裝置的需求，其主要目標市場是要求低功耗的移動設備。 9．Foveros 除了前面介紹過的EMIB先進封裝之外，Intel還推出了Foveros有源板載技術。在Intel的技術介紹中，Foveros被稱作3D Face to Face Chip Stack for heterogeneous integration，三維面對面異構集成芯片堆疊。 EMIB與Foveros的區別在于前者是2D封裝技術，而后者則是3D堆疊封裝技術，與2D的EMIB封裝方式相比，Foveros更適用于小尺寸產品或對內存帶寬要求更高的產品。其實EMIB和Foveros在芯片性能、功能方面的差異不大，都是將不同規格、不同功能的芯片集成在一起來發揮不同的作用。不過在體積、功耗等方面，Foveros 3D堆疊的優勢就顯現了出來。Foveros每比特傳輸的數據的功率非常低，Foveros技術要處理的是Bump間距減小、密度增大以及芯片堆疊技術。下圖所示是 Foveros 3D封裝技術示意圖。

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*Foveros 3D堆疊設計的主板芯片LakeField，它集成了10nm Ice Lake處理器以及22nm核心，具備完整的PC功能，但體積只有幾枚美分硬幣大小。雖說Foveros是更為先進的3D封裝技術，但它與EMIB之間并非取代關系，英特爾在后續的制造中會將二者結合起來使用。 10．Co-EMIB（Foveros + EMIB） Co-EMIB是EMIB和Foveros的綜合體，EMIB主要是負責橫向的連結，讓不同內核的芯片像拼圖一樣拼接起來，而Foveros則是縱向堆棧，就好像蓋高樓一樣，每層樓都可以有完全不同的設計，比如說一層為健身房，二層當寫字樓，三層作公寓。將EMIB和Foveros合并起來的封裝技術被稱作Co-EMIB，是可以具有彈性更高的芯片制造方法，可以讓芯片在堆疊的同時繼續橫向拼接。因此，該技術可以將多個3D Foveros芯片通過EMIB拼接在一起，以制造更大的芯片系統。下圖是Co-EMIB技術示意圖。

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Co-EMIB封裝技術能提供堪比單片的性能，達成這個技術的關鍵，就是ODI（Omni-Directional Interconnect）全向互連技術。ODI具有兩種不同型態，除了打通不同層的電梯型態連接外，也有連通不同立體結構的天橋，以及層之間的夾層，讓不同的芯片組合可以有極高的彈性。ODI封裝技術可以讓芯片既實現水平互連，又可以實現垂直互連。

Co-EMIB通過全新的3D + 2D封裝方式，將芯片設計思維也從過去的平面拼圖，變成堆積木。因此，除了量子計算等革命性的全新計算架構外，CO-EMIB可以說是在維持并延續現有計算架構與生態的最佳作法。

11．SoIC

SoIC也稱為TSMC-SoIC，是臺積電提出的一項新技術——集成片上系統（System-on-Integrated-Chips），預計在2021年，臺積電的SoIC技術就將進行量產。究竟什么是SoIC？所謂SoIC是一種創新的多芯片堆棧技術，能對10納米以下的制程進行晶圓級的集成。該技術最鮮明的特點是沒有凸點（no-Bump）的鍵合結構，因此具有有更高的集成密度和更佳的運行性能。 SoIC包含CoW（Chip-on-wafer）和WoW（Wafer-on-wafer）兩種技術形態，從TSMC的描述來看，SoIC就一種WoW晶圓對晶圓或CoW芯片對晶圓的直接鍵合（Bonding）技術，屬于Front-End 3D技術（FE 3D）,而前面提到的InFO和CoWoS則屬于Back-End 3D技術（BE 3D）。TSMC和Siemens EDA（Mentor）就SoIC技術進行合作，推出了相關的設計與驗證工具。下圖是3D IC和SoIC集成的比較。

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具體的說，SoIC和3D IC的制程有些類似，SoIC的關鍵就在于實現沒有凸點的接合結構，并且其TSV的密度也比傳統的3D IC密度更高，直接通過極微小的TSV來實現多層芯片之間的互聯。如上圖所示是3D IC和SoIC兩者中TSV密度和Bump尺寸的比較。可以看出，SoIC的TSV密度要遠遠高于3D IC，同時其芯片間的互聯也采用no-Bump的直接鍵合技術，芯片間距更小，集成密度更高，因而其產品也比傳統的3D IC有更高的功能密度。 12．X-Cube X-Cube（eXtended-Cube）是三星宣布推出的一項3D集成技術，可以在較小的空間中容納更多的內存，并縮短單元之間的信號距離。 X-Cube用于需要高性能和帶寬的工藝，例如5G，人工智能以及可穿戴或移動設備以及需要高計算能力的應用中。X-Cube利用TSV技術將SRAM堆疊在邏輯單元頂部，可以在更小的空間中容納更多的存儲器。從X-Cube技術展示圖可以看到，不同于以往多個芯片2D平行封裝，X-Cube?3D封裝允許多枚芯片堆疊封裝，使得成品芯片結構更加緊湊。芯片之間采用了TSV技術連接，降低功耗的同時提高了傳輸的速率。該技術將會應用于最前沿的5G、AI、AR、HPC、移動芯片以及VR等領域。

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X-Cube技術大幅縮短了芯片間的信號傳輸距離，提高數據傳輸速度，降低功耗，并且還可以按客戶需求定制內存帶寬及密度。目前X-Cube技術已經可以支持7nm及5nm工藝，三星將繼續與全球半導體公司合作，將該技術部署在新一代高性能芯片中。
總結 先進封裝技術 本文中，我們講述了12種當今最主流的先進封裝技術。下表是對這些主流先進封裝技術橫向比較。

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從對比中我們可以看出，先進封裝的出現和快速發展主要是在近10年間，其集成技術主要包括2D、2.5D、3D、3D+2D、3D+2.5D幾種類型，功能密度也有低、中、高、極高幾種，應用領域包括了5G，AI，可穿戴設備，移動設備、高性能服務器、高性能計算、高性能顯卡等領域，主要應用廠商包括TSMC、Intel、SAMSUNG等*芯片廠商，這也反映出先進封裝和芯片制造融合的趨勢。

最后，我們總結一下：先進封裝的目的就是：

提升功能密度，縮短互連長度，提升系統性能，降低整體功耗。

先進封裝對EDA工具也提出了新的要求，EDA工具需要既能支持FIWLP、FOWLP、2.5DTSV和3D TSV設計，也需要能支持多基板設計，因為一款產品中硅中介層（inteposer）和封裝基板（Substrate）經常集成在一起，各大EDA公司紛紛推出了新的工具來支持先進封裝的設計和驗證，包括Synopsys, Cadence, Siemens EDA（Mentor）都積極參與其中。

下圖所示為Siemens EDA XPD工具先進封裝設計截圖，該設計包含了3D TSV和2.5D TSV設計，Interposer，Substrate，FlipChip，Microbump，BGA等元素，在EDA工具中得到了詳盡和*的體現。關于先進封裝的詳細設計方法可參考近期即將出版的新書《基于SiP技術的微系統》。

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典型的先進封裝設計(Siemens EDA XPD設計截圖）

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