芯片封裝技術(shù)成半導(dǎo)體行業(yè)必爭(zhēng)之寶

芯片不斷向微型化發(fā)展，工藝制成向著更小的5nm，3nm推進(jìn)，摩爾定律也屢屢被傳走到盡頭，而芯片封裝技術(shù)被普遍認(rèn)為會(huì)成為下一階段半導(dǎo)體技術(shù)的重要發(fā)展方向。

廈門大學(xué)特聘教授、云天半導(dǎo)體創(chuàng)始人于大全博士就曾指出，隨著摩爾定律發(fā)展趨緩，通過先進(jìn)封裝技術(shù)來滿足系統(tǒng)微型化、多功能化成為了集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎。 封裝技術(shù)是伴隨集成電路發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生的，主要功能是完成電源分配、信號(hào)分配、散熱和物理保護(hù)。而隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，封裝正在不斷革新，供應(yīng)鏈迎來大考。

一、群雄競(jìng)逐先進(jìn)封裝

先進(jìn)封裝技術(shù)能夠相對(duì)輕松地實(shí)現(xiàn)芯片的高密度集成、體積的微型化和更低的成本等需求，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進(jìn)的趨勢(shì)。

尤其是CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)、FOWLP(扇出晶圓級(jí)封裝)以及WoW等 高密度先進(jìn)封裝(HDAP) ，它們?cè)谔嵘酒阅芊矫嬲宫F(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì)，成功吸引了各大主流芯片封測(cè)、代工以及設(shè)計(jì)廠商的關(guān)注，開始在該領(lǐng)域持續(xù)投資布局。

例如CoWoS，這是臺(tái)積電推出的2.5D封裝技術(shù)，被稱為晶圓級(jí)封裝。CoWoS針對(duì)高端市場(chǎng)，連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大。

自2012年開始量產(chǎn)CoWoS以來，臺(tái)積電就通過這種芯片間共享基板的封裝形式，把多顆芯片封裝到一起，而平面上的裸片通過Silicon Interposer互聯(lián)，這樣達(dá)到了封裝體積小，傳輸速度高，功耗低，引腳少的效果。 此外，F(xiàn)OWLP，這是一項(xiàng)被預(yù)言將成為下一代緊湊型、高性能電子設(shè)備基礎(chǔ)的技術(shù)。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，F(xiàn)OWLP全球總產(chǎn)值有望在2022年超過23億美金，2019-2022年間CAGR(復(fù)合年均增長(zhǎng)率)接近20%。

據(jù)悉，第一代扇出型封裝是采用英飛凌(Infineon)的嵌入式晶圓級(jí)球閘陣列(eWLB)技術(shù)，此為2009年由飛思卡爾(Freescale，現(xiàn)為恩智浦)所推出。但是，集成扇出型封裝(InFO)在此之前就只有臺(tái)積電能夠生產(chǎn)。 臺(tái)積電的InFO技術(shù)是最引人注目的高密度扇出的例子，三星電子(Samsung Electronics)系統(tǒng)LSI事業(yè)部認(rèn)為正是此技術(shù)，導(dǎo)致臺(tái)積電搶下蘋果(Apple)A10處理器代工訂單。為此三星電機(jī)(Semco)跨足半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)，與三星電子合作研發(fā)FOWLP技術(shù)，以期在新一輪客戶訂單爭(zhēng)奪賽中，全面迎戰(zhàn)臺(tái)積電。

Techsearch International指出，這些HDAP技術(shù)推動(dòng)了行業(yè)對(duì)設(shè)備與封裝協(xié)同設(shè)計(jì)以及新流程的需求。目前代工廠開始將一部分限制產(chǎn)能用于做先進(jìn)封測(cè)，傳統(tǒng)的封測(cè)廠商也在逐漸向先進(jìn)封測(cè)提升。 雖然目前為止，代工廠與封測(cè)廠商還沒有完全交叉的業(yè)務(wù)，在各自的領(lǐng)域獨(dú)立為戰(zhàn)。但未來雙方一定會(huì)越來越多地向中間重合領(lǐng)域進(jìn)軍，先進(jìn)封裝將成為兵家必爭(zhēng)之地。

二、HDAP，想說愛你不容易

然而，想要實(shí)現(xiàn)類似的HDAP仍然存在一些挑戰(zhàn)。

資料顯示，首先，HDAP具有異構(gòu)性。即使上游EDA廠商已經(jīng)修改了傳統(tǒng)工具來處理多種新技術(shù)，這些新技術(shù)也需要物理驗(yàn)證，例如設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、版圖和線路圖對(duì)照檢查(LVS)等。在HDAP中，必須通過一個(gè)中介層或某種類型的互連技術(shù)做連接，在這種情況下，它會(huì)影響系統(tǒng)的互連特性，同時(shí)這些特性之間還會(huì)相互影響，同時(shí)影響可制造性特征的設(shè)計(jì)。

其次，新的HDAP技術(shù)要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同努力來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，而不僅僅是單個(gè)元件。例如芯片和封裝/中介層未對(duì)齊、元器件和基地之間的連接錯(cuò)誤等問題帶來的工程成本增加;制造數(shù)據(jù)的質(zhì)量或誤差導(dǎo)致的制造延遲;以及信號(hào)和電源完整性性能不佳、2.5D裝配的熱穩(wěn)定性不合格等問題帶來的功能故障等問題。

再者，HDAP也讓設(shè)計(jì)復(fù)雜度顯著提高，需要描述從芯片到基板、從中介層到基板、基板到電路板、基板到測(cè)試板的所有互連。這在傳統(tǒng)的封裝行業(yè)來看非常難以控制，目前有許多要靠手工集成，夾雜一些零碎的檢查。

HDAP作為一個(gè)全新的方向，也開始給半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)流程帶來影響。這些新技術(shù)能夠?qū)φw設(shè)計(jì)做分區(qū)，就像一種具有芯片外部特征的互連，這與芯片的內(nèi)部特征非常相似。先進(jìn)封裝使廠商有了集成不同技術(shù)(工藝)的能力，但同時(shí)也為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具帶來了相關(guān)挑戰(zhàn)。

在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的封裝設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足市場(chǎng)日益變化的需求，如何高效的完成設(shè)計(jì)并得到驗(yàn)證，這將給EDA工具帶來全新的挑戰(zhàn)。市場(chǎng)迫切需要更為高效的全新流程、方法和設(shè)計(jì)工具。

三、Mentor的利器

Mentor是一家極為關(guān)注先進(jìn)封裝技術(shù)的EDA廠商， Mentor 亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)Lincoln Lee提到，作為一家EDA廠商，其產(chǎn)品本身就貫穿設(shè)計(jì)和封裝的各個(gè)方面。

早在10多年前(2007年)，Mentor就看見了封裝市場(chǎng)的潛在機(jī)遇，并開始為領(lǐng)先客戶設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)方案。他強(qiáng)調(diào)，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展很快，先進(jìn)封裝正在逐漸成為主力，如果不能很快適應(yīng)客戶的要求，就將被拋在身后。發(fā)力先進(jìn)封裝領(lǐng)域，對(duì)于Mentor與其客戶來說是雙贏。

2013年，Mentor正式推出了Xpedition Package Integrator(XPI) 高密度先進(jìn)封裝(HDAP)流程，該流程是業(yè)內(nèi)率先針對(duì)當(dāng)今先進(jìn)的 IC 封裝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的綜合解決方案。

資料顯示，XPI產(chǎn)品已經(jīng)具有高集成度，但基于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的分工需要， Mentor將XPI的兩個(gè)功能拆分為Xpedition Substrate Integrator工具和 Xpedition Package Designer技術(shù)。獨(dú)特的Xpedition Substrate Integrator(xSI)工具可快速實(shí)現(xiàn)異構(gòu)基底封裝組件的定義和優(yōu)化。針對(duì)物理封裝實(shí)施的新型 Xpedition Package Designer(xPD)技術(shù)可確保設(shè)計(jì)Signoff與驗(yàn)證的數(shù)據(jù)同步。Calibre 3D Stack技術(shù)可針對(duì)各種2.5D和3D疊層芯片組件進(jìn)行完整的Signoff DRC/LVS驗(yàn)證。

在不斷優(yōu)化的過程中，Xpedition可以多人協(xié)同工作，無需拆分，避免多次合并，從而實(shí)現(xiàn)最大限度地提高團(tuán)隊(duì)工作效率。目前，Mentor正在全力解決多晶片封裝的功耗、散熱、性能問題。Lincoln解釋道，大家都希望將更多功能“塞”到同一顆芯片里，但這么多高效能的芯片放在一起，將產(chǎn)生極高的熱密度。因此，熱分析是非常關(guān)鍵的步驟。

目前做芯片的公司數(shù)量正在不斷減少，很大程度上是由于先進(jìn)工藝行列所需要的成本十分昂貴，因此先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具就顯得尤為重要。Lincoln提到，Mentor的優(yōu)勢(shì)在于擁有非常全面的工序，全新的解決方案能夠?yàn)镮C設(shè)計(jì)廠商提供便利，可以在一定程度上滿足其需求。

四、Mentor與中國

現(xiàn)在，中國大陸市場(chǎng)中已經(jīng)有不少廠商開始關(guān)注先進(jìn)封裝，尤其是封測(cè)企業(yè)。近幾年，海外并購讓中國封測(cè)企業(yè)快速獲得了技術(shù)、市場(chǎng)，彌補(bǔ)了一些結(jié)構(gòu)性的缺陷，極大地推動(dòng)了中國封測(cè)產(chǎn)業(yè)的向上發(fā)展。

中國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，大陸封測(cè)市場(chǎng)規(guī)模從2012年的1034億元增長(zhǎng)至2018年的2196億元。在2019年封測(cè)市場(chǎng)，中國大陸占比達(dá)到28%，僅次于中國臺(tái)灣。

Lincoln指出，早在1989年，Mentor就已經(jīng)進(jìn)入中國大陸。盡管當(dāng)時(shí)市場(chǎng)主要以PCB板級(jí)設(shè)計(jì)為主，中國大陸本土的IC產(chǎn)業(yè)仍在襁褓之中，整個(gè)市場(chǎng)的體量也沒有現(xiàn)在這么龐大，但Mentor絲毫沒有輕視中國市場(chǎng)和其未來的發(fā)展?jié)摿Α? 此外，Mentor還跟地方政府、孵化平臺(tái)、高校和研究所合作，降低創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的成本，積極地扶持未來的明星企業(yè)。

這些年來，Mentor見證了中國本土IC產(chǎn)業(yè)不斷強(qiáng)大，尤其是封測(cè)領(lǐng)域。Lincoln表示，近年中國本土先進(jìn)封測(cè)廠商通過自主研發(fā)和兼并收購，已基本形成先進(jìn)封裝的產(chǎn)業(yè)化能力，但從先進(jìn)封裝營收占總營收的比例和高密度集成等先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展上來說，中國總體先進(jìn)封裝技術(shù)水平與國際領(lǐng)先水平還有一定的差距。

在此基礎(chǔ)上，Mentor正在不斷支持中國廠商在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的發(fā)展，助力中國廠商在性能以及功耗等方面提升。同時(shí)，Lincoln也提到，在同等級(jí)的芯片中，使用Mentor HDAP設(shè)計(jì)環(huán)境的產(chǎn)品，異構(gòu)集成能助力其效能更優(yōu)化。

五、總結(jié)

在2020年，圍繞先進(jìn)封裝的戰(zhàn)火繼續(xù)升級(jí)，先進(jìn)芯片制造商正在不斷加碼，探索更廣闊的芯片創(chuàng)新空間。 盡管這些技術(shù)方法的核心細(xì)節(jié)有所不同，但大家各展謀略，都是為了持續(xù)提升芯片密度、實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和靈活的系統(tǒng)級(jí)芯片，以滿足客戶日益豐富的應(yīng)用需求。

隨著制程工藝逼近極限，成本無限提升，Mentor憑借在此領(lǐng)域豐富的經(jīng)驗(yàn)，其作用將越來越大，更加不可或缺。