行業目光聚焦先進封裝，哪些技術將成為下一代封裝主流？

先進封裝是在不要求提升芯片制程的情況下，實現芯片的高密度集成、體積的微型化，并降低成本，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進的趨勢。傳統封裝的功能主要在于芯片保護、電氣連接，先進封裝在此基礎上增加了提升功能密度、縮短互聯長度、進行系統重構的三項新功能。在后摩爾時代，人們開始由先前的“如何把芯片變得更小”轉變為“如何把芯片封得更小”，先進封裝成為半導體行業發展重點。


先進封裝成為后摩爾時代發展趨勢

隨著5G通信技術、物聯網、大數據、人工智能、視覺識別、自動駕駛等應用場景的快速興起，應用市場對芯片功能多樣化的需求程度越來越高。在芯片制程技術進入“后摩爾時代”后，先進封裝技術能在不單純依靠芯片制程工藝實現突破的情況下，通過晶圓級封裝和系統級封裝，提高產品集成度和功能多樣化，滿足終端應用對芯片輕薄、低功耗、高性能的需求，同時大幅降低芯片成本。因此，先進封裝在高端邏輯芯片、存儲器、射頻芯片、圖像處理芯片、觸控芯片等領域均得到了廣泛應用。

以系統級封裝為例，現階段，以智能手機為代表的移動消費電子領域是系統級封裝最大的下游應用市場，占了系統級封裝下游應用的70%。根據Yole預測，未來5年，系統級封裝增長最快的應用市場將是可穿戴設備、Wi-Fi路由器、IoT物聯網設施以及電信基礎設施。尤其隨著5G通訊的推廣和普及，5G基站對倒裝球柵陣列（FC-BGA）系統級封裝芯片的需求將大幅上升，未來5年基站類系統級芯片市場規模年均復合增長率預計高達41%。

近年來，隨著物聯網、5G通信、人工智能、大數據等新技術的不斷成熟，全球集成電路行業進入新一輪的上升周期，封測行業受益市場規模持續增長。根據WSTS數據，2021年全球集成電路封測行業市場規模為670億美元，同比增長3.87%，2017-2021年復合增長率為2.97%，預計2022年市場規模有達到670億美元。在中國，受益于半導體產業向中國大陸轉移，中國封測市場快速發展。根據中國半導體協會數據，2021年中國封測產業市場規模為2743.44億元，2017-2021年，中國大陸封測產業市場規模復合增長率為9.9%，增速高于全球。

從先進封裝占比來看，隨著半導體封測市場規模持續增長，全球先進封裝占比持續提升，根據YOLE數據，2021年全球先進封裝占比已經達到45%，近年來先進封裝市場規模增速要明顯高于傳統封裝增速。我國先進封裝滲透率低，但隨著半導體行業的發展，近年來，國內廠商通過兼并收購，快速積累先進封裝技術，目前封測廠商技術平臺基本做到與海外同步，大陸先進封裝產值占全球比例也在逐漸提升，由2015年的10.3%增長至2020年的14.8%。預計我國先進封裝產值占全球比重有望進一步提高，2022年將達到16.8%。


先進封裝需求火爆

據TrendForce及臺媒援引摩根士丹利報告，英偉達認為臺積電的CoWoS產能不會限制下一季度H100的出貨量，預計明年每個季度的供應量都會增加。

此外，臺積電正在著手將急單的CoWoS價格提高20%，這也暗示著，困擾整個產業鏈已久的CoWoS產能瓶頸有望得到緩解。

臺積電之前是英偉達CoWoS封裝的主力供應商，但由于需求飆升，臺積電產線即便開足馬力也難以填補供需鴻溝。為此，臺積電正積極擴產CoWoS，包括竹南、龍潭和臺中三地工廠；2023年其CoWoS產能至少12萬片，2024年將達24萬片，而英偉達將取得約15萬片（1片可切約25顆）

另外，英偉達首席財務官Colette Kress近期透露，英偉達在CoWoS封裝等關鍵制程已開發并認證其他供應商產能，預期未來數季供應可逐步攀升，英偉達持續與供應商合作增加產能。

有日本機構分析師指出，英偉達自二季度末以來，一直在積極推動建立非臺積電的CoWoS供應鏈。參與廠商中，晶圓代工廠聯電負責前段CoW部分的硅中介層供貨，封測廠Amkor、日月光投控旗下矽品則負責后段WoS封裝。

而日前，多家CoWoS供應商已傳出新進度。

據臺灣電子時報消息，日月光正在為其高雄工廠向英偉達申請CoW段封裝認證。該公司此前曾表示，正積極開發先進封裝技術，目前也已跟晶圓廠合作中介層相關技術，并具備CoWoS整套制程的完整解決方案，預計今年下半年或明年初量產。

聯電之前已計劃將硅中介層產能擴充一倍，近日再度將擴產幅度追加至兩倍以上——硅中介層月產能將由目前的3 kwpm（千片／每月）擴增至10kwpm，明年產能有望與臺積電并駕其驅。

Amkor也已提出明確的“類CoWoS”先進封裝產能擴充計劃。封測業內人士透露，2023年初Amkor 2.5D先進封裝月產能約3000片，預期2023年底、2024年上半提升到5000片，2024年底力拼7000片的倍數成長水準。

Chiplet帶動封裝市場增長

在Chiplet技術上，中國與國外差距相對較小。

Chiplet產業鏈涉及IP、EDA、封測代工以及相關設備和材料廠商，主要有四個重要角色：EDA供應商、IP廠商、Fab廠、封裝廠。

其中龍頭Fab廠主導Chiplet技術路線。Fab廠商龍頭臺積電是Chiplet工藝的全球領軍者，旗下3DFabric平臺擁有CoWoS、InFO、SoIC三種封裝工藝（由于Chiplet技術涉及芯片的堆疊，因此臺積電將其命名為3DFabric技術）。

三星也擁有類似方案，三星I-Cube和H-Cube是類似臺積電CoWoS的2.5D方案，三星X-Cube是類似臺積電SoIC的3D堆疊工藝。

此外，封裝廠商也將受益于Chiplet技術崛起。

中國封測產業有一大批知名企業，如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技、偉測科技、利揚芯片等。

其中，長電科技、通富微電和華天科技占據全球前十大外包封測廠的三席。

國內封裝龍頭積極布局先進封裝，如長電科技的XDFOI、通富微電的VISionS、華天科技的3D Matrix。

長電科技于2021年正式推出面向Chiplet（小芯片）的高密度多維異構集成技術平臺XDFOI，涵蓋2D、2.5D、3DChiplet集成技術。

2023年1月，公司宣布實現國際客戶4nm節點Chiplet產品出貨。該方案采用有機RDL Interposer，可集成放置一顆或多顆邏輯芯片（CPU/GPU等）等，目前RDL方案已經量產。

對于Chiplet，長電科技認為，該技術是先進封裝走到今天必然會出現的一種封裝形式，也是在近未來會成為所有主流封裝廠標配的封裝形式之一，未來Chiplet封裝在市場上的份量及規模會越來越大。

但是Chiplet應用還處于起步階段，不管是國際客戶還是國內客戶，需要一定的設計開發周期及應用開發周期。隨著AI 等下游應用興起，在未來三五年Chiplet會在高性能計算、人工智能、邊緣計算等終端領域呈現越來越多的應用。


Intel闡述未來封裝技術

Intel就一直在深入研究各種先進封裝技術，部分已經得到廣泛應用，比如EMIB、Foveros，部分已經準備就緒，比如Foveros Omni、Foveros Direct。

Intel的先進封裝技術，一方面能夠提升芯片互連密度，在單個封裝中集成更多功能單元，目標是到2030年在單個設備內集成1萬億個晶體管。

另一方面，它們可以滿足Intel自家產品、代工客戶產品的異構集成需求，讓不同供應商、不同工藝打造的芯粒（Chiplet）更好地協同工作，提高靈活性和性能，降低成本和功耗。


一、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。

傳統的2.5D封裝是在芯片和基板間的硅中介層上進行布線，EMIB則是通過一個嵌入基板內部的單獨的芯片完成互連，可將芯片互連的凸點間距縮小到45微米，改善設計的簡易性，并降低成本。

二、Foveros

3D封裝技術，原理上也不復雜，就是在垂直層面上，一層一層地堆疊獨立的模塊，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，Foveros通過復雜的TSV硅穿孔技術，實現垂直層面的互連。

Foveros最早用于Lakefiled處理器，目前正在和EMIB聯手用于各類產品，最典型的就是Ponte Vecchio GPU加速器，使用了5種不同工藝、47個不同芯粒。


三、Foveros Omni

下一代封裝技術，可實現垂直層面上大芯片、小芯片組合的互連，并將凸點間距繼續縮小到25微米。


四、Foveros Direct

使用銅與銅的混合鍵合，取代會影響數據傳輸速度的焊接，把凸點間距繼續縮小到10微米以下，從而大幅提高芯片互連密度和帶寬，并降低電阻。

Foveros Direct還實現了功能單元的分區，使得模塊化設計配置靈活、可定制。

2021年底，Intel還展示了最新的混合鍵合(hybrid bonding)，將互連間距繼續微縮到驚人的3微米，實現了準單片式的芯片。也就是說，整合封裝后的互聯密度、帶寬都非常接近傳統的單片式芯片，不同芯粒之間連接更加緊密。


總結

芯片封裝技術正處于歷史性的機遇之中，中國半導體產業需要加速發展先進封裝技術，抓住這一機遇，以在后摩爾時代取得領先地位。同時，全球半導體行業也將繼續致力于異構集成電路等先進封裝技術的研發，以推動半導體技術的發展。這個領域充滿了挑戰，但也充滿了希望，未來將會有更多創新涌現，推動半導體產業不斷前進。