手機芯片開(kāi)始角逐先進(jìn)封裝

日前，華為發(fā)布了闊折疊手機 PuraX，引發(fā)行業(yè)熱烈關(guān)注。而就在最近的拆解視頻中顯示，剛開(kāi)賣(mài)的手機拆出來(lái)的芯片，比原來(lái)厚了一大截。華為 Pura X 搭載的麒麟 9020 芯片采用全新一體式封裝工藝。

拆解視頻顯示，麒麟 9020 封裝方式從夾心餅結構轉變?yōu)榱?SoC、DRAM 一體化封裝，暫時(shí)還不清楚是 CoWoS 還是 InFO-PoP，亦或者其他封裝形式。但無(wú)論如何，這又是國內先進(jìn)封裝能力的又一次展現。國內芯片設計廠(chǎng)、封裝廠(chǎng)和內存廠(chǎng)的相互協(xié)同已經(jīng)初現端倪。

據了解，蘋(píng)果手機 SoC 此前便已經(jīng)采用了類(lèi)似的先進(jìn)封裝技術(shù)，將 DRAM 垂直堆疊在了 SoC 上方，即臺積電的 PoP。只不過(guò) SoC 本身仍然是單個(gè)整體芯片。

蘋(píng)果采用的 PoP 和 InFO-PoP 封裝是什么？

當蘋(píng)果公司的 iPhone 在 2007 年亮相時(shí)，隨即便被拆開(kāi)展現在眾人面前，層疊封裝技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。PoP 曾經(jīng)是眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。然而有相當長(cháng)的一段時(shí)間內 PoP 消失了。之后，更先進(jìn)的手機將處理器和存儲器結合在一起，PoP 又成為這類(lèi)手機的封裝選擇方案。

層疊封裝（Package on Package，PoP）是一種集成電路封裝技術(shù)，它將兩個(gè)或多個(gè)芯片封裝在一起，形成一個(gè)整體。這種封裝技術(shù)通常用于移動(dòng)設備和其他小型電子設備中，以節省空間并提高性能。在 PoP 中，一個(gè)芯片被放置在另一個(gè)芯片的頂部，形成一個(gè)層疊結構。這種結構可以通過(guò)焊接或其他連接技術(shù)進(jìn)行連接。通常，上層芯片是處理器或存儲器，而下層芯片是 DRAM 或其他類(lèi)型的存儲器。

而 InFO（全稱(chēng)為 Integrated Fan-Out，意為集成式扇出型封裝）技術(shù)則是臺積電于 2016 年推出的一種技術(shù)。InFO-PoP 即表示 InFO 封裝對 PoP 封裝的配置。InFO 技術(shù)是將芯片直接放置在基板上，通過(guò) RDL（Re-distributed layer，重布線(xiàn)層）實(shí)現芯片和基板的互連，無(wú)需使用引線(xiàn)鍵合，RDL 在晶圓表面形成，可以為鍵合墊片重新分配更大的間距，從而允許更多的 I/O 連接，實(shí)現更緊湊和高效的設計。

晶圓級封裝一般需要 RDL 工藝，因為晶圓上的焊盤(pán)大部分是鋁焊盤(pán)，無(wú)論是做晶圓級封裝還是板級封裝，鋁金屬不易做后續處理，都需要用另外的金屬來(lái)覆蓋鋁。RDL 是將原來(lái)設計的芯片線(xiàn)路接點(diǎn)位置 (I/O pad)，通過(guò)晶圓級金屬布線(xiàn)制程和凸塊制程改變其接點(diǎn)位置，同時(shí)滿(mǎn)足焊球間最小間距的約束。

InFO 技術(shù)在 2016 年的蘋(píng)果 A10 芯片上得到應用，并衍生出新的技術(shù)應用：InFO-oS、InFO-LSI、InFO-PoP 以及 InFO-AiP 等。

InFO-oS 技術(shù)可集成多個(gè)高級邏輯芯片，在封裝內部實(shí)現更高的集成度，適用于 5G 組網(wǎng)應用。InFO-LSI 技術(shù)類(lèi)似于英特爾的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）技術(shù)，可以實(shí)現極致的互連帶寬和成本的折中，其利用硅基互連的方式實(shí)現不同芯片層之間的連接。該技術(shù)允許在同一封裝內部進(jìn)行高速信號傳輸，從而提高了系統的性能和功耗效率。InFO-LSI 技術(shù)適用于需要高速信號傳輸和通信的應用領(lǐng)域，如高性能計算、人工智能、通信和網(wǎng)絡(luò )設備等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域通常需要在封裝層內部進(jìn)行復雜的數據處理和通信，因此，InFO-LSI 技術(shù)具有重要意義。InFO-PoP 技術(shù)是一種將InFO 與PoP 相結合的技術(shù)。這種技術(shù)通常用于需要同時(shí)集成多個(gè)芯片的應用場(chǎng)景，如移動(dòng)設備等領(lǐng)域，可以實(shí)現更高的集成度和更多的功能。InFO-AiP 技術(shù)是一種在 InFO 封裝中集成天線(xiàn)的技術(shù)。這種技術(shù)可以將天線(xiàn)直接集成在封裝中，從而實(shí)現更緊湊的設計和更好的信號傳輸性能。InFO-AiP 技術(shù)通常用于移動(dòng)設備、物聯(lián)網(wǎng)和通信設備等領(lǐng)域，可以實(shí)現更優(yōu)異的無(wú)線(xiàn)連接性能。

InFO-PoP 封裝優(yōu)勢明顯

2016 年推出的 iPhone 7 中的 A10 處理器，采用 TSMC 16nm FinFET 工藝以及 InFO（Integrated Fan-out）技術(shù)，成功將 AP 與 LPDDR 整合在同一個(gè)封裝中，為未來(lái)幾年的移動(dòng)封裝技術(shù)立下新的標桿。InFO 封裝也成為臺積電獨占蘋(píng)果 A 系列處理器訂單的關(guān)鍵技術(shù)之一。在這一年，能量產(chǎn) InFO 封裝的也僅 TSMC 一家。多年來(lái)，蘋(píng)果 A 系列處理器與 DRAM 都是采用臺積電 InFO-PoP 封裝技術(shù)封裝在一起，將 DRAM 頂部封裝上的凸塊利用貫穿 InFO 過(guò)孔（TIV）到達 RDL 層，再與邏輯芯片互聯(lián)，以減小整體的芯片尺寸，減少占板面積，時(shí)確保強大的熱和電氣性能。

那么這種技術(shù)帶來(lái)了哪些優(yōu)勢呢？

這種技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是其靈活性，因為 DRAM 封裝可以很容易地更換。此外，由于芯片被層疊在一起，PoP 技術(shù)可以節省空間，使設備更小更輕。由于芯片之間的連接更短，還可以提高芯片性能并減少延遲。

由于 InFO 引入了 RDL 層，芯片設計者可以通過(guò)對 RDL 的設計代替一部分芯片內部線(xiàn)路的設計，從而降低設計成本；采用 RDL 能夠支持更多的引腳數量；采用 RDL 還使 I/O 觸點(diǎn)間距更靈活、凸點(diǎn)面積更大，從而使基板與元件之間的應力更小、元件可靠性更高；RDL 層使用了高分子聚合物 (Polymer) 為基礎的薄膜材料來(lái)制作，可以取代封裝載板，節約成本；RDL 還可以把不同種類(lèi)的芯片連接在一起，實(shí)現多芯片封裝互連。

手機芯片開(kāi)始角逐先進(jìn)封裝

蘋(píng)果是較早引入先進(jìn)封裝的手機芯片商，其一直致力于將先進(jìn)封裝技術(shù)應用于手機芯片。主要是因為：

蘋(píng)果一直和臺積電先進(jìn)封裝有深度合作研發(fā)，也總是首批采用最先進(jìn)制程的高凈值客戶(hù)。蘋(píng)果比別家更有迫切需求采用先進(jìn)封裝技術(shù)壓低成本。尤其是 3nm 流片和晶圓成本已經(jīng)一倍于 5nm，2nm 成本繼續翻一倍還不止，就是再高凈值客戶(hù)，也無(wú)法承受了。

蘋(píng)果的 M1 Ultra 芯片首次實(shí)現了 GPU 內部高速通信表明，在 SoC 層面，蘋(píng)果也有比較高效的 D2D 通信協(xié)議和物理層設計，這走在了 ARM 陣營(yíng)的前面，未來(lái)應用到手機 SoC 會(huì )比別家更容易。而這也需要先進(jìn)封裝的支持，蘋(píng)果甚至還創(chuàng )新定制了封裝架構 UltraFusion。

此外，蘋(píng)果有更強的 IP 復用需求。蘋(píng)果芯片覆蓋手機、平板、筆記本和工作站，同時(shí)像基帶和 wifi 控制器等 IP 又來(lái)自高通、博通，但隨著(zhù)蘋(píng)果自研基帶的推出，后續可能會(huì )逐步將這些模塊替換為自研的。這勢必也要求將 SoC 各個(gè)模塊做成可復用、可更換的，來(lái)確保成本。這種情況下，Chiplet 封裝工藝更具有優(yōu)勢。

目前來(lái)看，安卓陣營(yíng)也在逐漸走向這一趨勢。無(wú)論是代工成本的考量，還是 PC 芯片的 IP 復用需求都需要先進(jìn)封裝的支持。

國內手機芯片廠(chǎng)商也在和下游廠(chǎng)商深度合作開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。實(shí)際上此前一家國內知名的手機 SoC 設計公司便公開(kāi)了一種芯片堆疊封裝及終端設備專(zhuān)利，申請公布號為 CN114287057A，可解決因采用硅通孔技術(shù)而導致的成本高的問(wèn)題。專(zhuān)利摘要顯示，該專(zhuān)利涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，其能夠在保證供電需求的同時(shí)，解決因采用硅通孔技術(shù)而導致的成本高的問(wèn)題。這有利于進(jìn)一步降低先進(jìn)封裝的成本。

另外，今年五月份將推出的鴻蒙 PC，同樣有很強的 IP 復用需求。而高通也一直在謀劃進(jìn)入 AIPC 的賽道，此前還曾推出驍龍 X Elite。

蘋(píng)果或放棄封裝堆疊內存？

不過(guò)，有消息稱(chēng)，從 2026 年開(kāi)始，蘋(píng)果將在 iPhone 18 系列中放棄現有的封裝堆疊內存（PoP）設計，轉而采用芯片與內存分離的架構。

一直以來(lái)，蘋(píng)果在硬件設計上的追求可以用「精致極簡(jiǎn)」來(lái)形容。無(wú)論是 iPhone、iPad 還是 Mac，它們內部的芯片和內存多采用封裝堆疊技術(shù)。雖然對于寸土寸金的移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)，封裝堆疊技術(shù)能減少芯片面積、縮短內存與主芯片之間的物理距離，從而降低數據傳輸延遲，提高電源效率。但 PoP 技術(shù)也有其局限性。由于內存封裝尺寸受到 SoC（系統級芯片）尺寸的限制，這直接影響到 I/O 引腳的數量，進(jìn)而限制了數據傳輸速率和性能。這一點(diǎn)，在面對高帶寬需求的人工智能運算時(shí)，表現得尤為明顯。

消息稱(chēng)，蘋(píng)果計劃在 iPhone 18 中采用芯片與內存分離的設計，顯然是一次為性能服務(wù)的妥協(xié)。這種分離設計雖然在物理距離上拉長(cháng)了內存和芯片之間的傳輸路徑，但它也解鎖了更多的 I/O 引腳，能極大地提升數據傳輸速率和帶寬。

據悉，蘋(píng)果正在與三星合作開(kāi)發(fā)下一代 LPDDR6 內存技術(shù)，其數據傳輸速度和帶寬預計是目前 LPDDR5X 的 2 至 3 倍。如此高的性能提升，對于日益依賴(lài)本地 AI 計算的智能手機來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)巨大的利好。無(wú)論是 AI 實(shí)時(shí)翻譯、圖像識別，還是更加智能化的 Siri，這些場(chǎng)景都需要更高的內存帶寬來(lái)支持更快的數據吞吐量。

此外，分離設計還有助于散熱優(yōu)化。相比于堆疊封裝的設計，內存與 SoC 物理分離后，每個(gè)組件的散熱效率將得到提升，降低芯片過(guò)熱導致的性能瓶頸。

不過(guò)這并不代表蘋(píng)果將放棄先進(jìn)封裝，而是可能采取更合適的先進(jìn)封裝技術(shù)。