火拼先進(jìn)封裝！臺積電英特爾三星急了
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編輯 | Panken芯東西3月17日報道，本周二，英特爾宣布在歐盟投資超過(guò)330億歐元，除了芯片制造外，還將在意大利投資高達45億歐元的后端制造設施。據悉，該工廠(chǎng)將“采用新技術(shù)和創(chuàng )新技術(shù)”為歐盟提供產(chǎn)品。事實(shí)上3月以來(lái)，英特爾、臺積電、三星在先進(jìn)封裝上的動(dòng)作就反復刷屏。3月初，英特爾、臺積電、三星和日月光等十大巨頭宣布成立通用芯片互連標準——UCIe，將Chiplet（芯粒、小芯片）技術(shù)標準化。這一標準同樣提供了“先進(jìn)封裝”級的規范，涵蓋了EMIB和InFO等所有基于高密度硅橋的技術(shù)。UCIe成立的同一天，英國AI芯片創(chuàng )企Graphcore推出IPU產(chǎn)品Bow。該芯片通過(guò)采用臺積電的3D封裝技術(shù)，在完全不改變軟件和芯片內核的情況下，將運算速度提升了40%并降低了16%的功耗。
▲Graphcore IPU芯片中的封裝示意圖（圖片來(lái)源：IEEE）
上周日，韓媒也爆出，三星電子在DS（半導體事業(yè)暨裝置解決方案）事業(yè)部?jì)刃略O立了測試與封裝（TP）中心。韓媒認為，該中心的設立和人員調整，或意味著(zhù)三星電子將加強先進(jìn)封裝投資，確保在后端領(lǐng)域上領(lǐng)先于臺積電。甚至就連月初蘋(píng)果春季發(fā)布會(huì )上重磅芯片M1 Ultra的架構背后，也有著(zhù)臺積電第五代CoWoS Chiplet先進(jìn)封裝技術(shù)。
▲蘋(píng)果公司Chiplet專(zhuān)利與M1 Ultra（參考專(zhuān)利US 20220013504A1）
事實(shí)上，隨著(zhù)摩爾定律臨近極限，先進(jìn)封裝已成為提升芯片性能的重要路徑之一。根據法國市場(chǎng)咨詢(xún)公司Yole Developpement最新的2021年年度高端封裝報告，英特爾等市場(chǎng)龍頭在先進(jìn)封裝上的資本支出約為119億美元，第一名、第二名和第四名分別是英特爾、臺積電和三星電子三大芯片制造巨頭，其支出占比之和達67%。
01.臺積電：2011年入局先進(jìn)封裝2.5D封裝技術(shù)搶下蘋(píng)果訂單
▲臺積電Pathfinding for System Integration副總經(jīng)理余振華
在2011年第二季度的法說(shuō)會(huì )上，時(shí)任臺積電董事長(cháng)兼首席執行官的張忠謀公開(kāi)了臺積電的先進(jìn)封裝進(jìn)度。他提到臺積電已經(jīng)完成了一個(gè)完整子系統的制造和封裝，其硅中介層（silicon interposer）解決方案將封裝數量從9減少到1，減小了芯片體積和功率，提升了內存帶寬和系統速度。同時(shí)，臺積電也首次向投資者披露了BOT封裝專(zhuān)利產(chǎn)品，將襯底的凸點(diǎn)間距從140微米減小到100微米，還顯著(zhù)節省了封裝成本。當年第三季度法說(shuō)會(huì )，臺積電正式宣布要做CoWoS等先進(jìn)封裝技術(shù)。張忠謀特意強調，臺積電在這一領(lǐng)域的商業(yè)模式：一是提供頂尖邏輯晶圓制程、晶圓測試（wafer sort）和微封裝，二是提供后端集成解決方案、中介層晶圓（interposer wafer）、最終的封裝和測試。張忠謀稱(chēng)：“我們不打算只出售（CoWoS的）中介層?！?/span>在CoWoS技術(shù)推出后，2012年FPGA龍頭賽靈思的產(chǎn)品就用到了這一技術(shù)。此后，華為海思、英偉達、博通等廠(chǎng)商的芯片中都應用到了臺積電的CoWoS封裝技術(shù)。如今十余年過(guò)去，CoWoS已發(fā)展到第五代，臺積電已將自身的先進(jìn)封裝技術(shù)整合為了3DFabric技術(shù)平臺，包含臺積電前端的SoIC技術(shù)和后端CoWoS、InFO封裝技術(shù)。
▲臺積電3DFabric技術(shù)平臺（圖片來(lái)源：臺積電2021 HotChips論壇PPT）
據悉，最早推出的CoWoS是一種基于TSV（硅通孔）的封裝技術(shù)，由于這種技術(shù)能夠靈活地適應SoC、小芯片和3D堆棧等多個(gè)類(lèi)型的芯片，因此被主要用于高性能計算（HPC）和人工智能（AI）計算領(lǐng)域。如今CoWoS是使用最廣泛的2.5D封裝技術(shù)，英偉達、博通、谷歌、亞馬遜、NEC、AMD、賽靈思、Habana等公司的產(chǎn)品都采用了這一技術(shù)。絕大多數使用HBM的高性能芯片，包括大部分創(chuàng )企的AI訓練芯片都是應用了CoWoS技術(shù)。CoWoS可以分為CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L三種。臺積電稱(chēng)，CoWoS-S可以為高性能計算應用提供最佳的性能和最高的晶體管密度；CoWoS-R則更強調小芯片間的互連，利用RDL（重新布線(xiàn)層）實(shí)現最小4μm的布線(xiàn)；CoWoS-L則是最新的CoWoS技術(shù)，結合了CoWoS-S和InFO兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使用RDL與LSI（本地硅互連）進(jìn)行互連，具有最靈活的集成性。
▲臺積電CoWoS-S封裝技術(shù)（圖片來(lái)源：臺積電2021 HotChips論壇PPT）
InFO具有高密度的RDL，可用于移動(dòng)、高性能計算等需要高密度互連和性能的應用。InFO分為InFO_PoP和InFO_oS，前者是行業(yè)中首款3D晶圓級扇出封裝，可應用在移動(dòng)手機的AP和DRAM上；后者具有更高密度的RDL，可集成多個(gè)用于5G網(wǎng)絡(luò )的邏輯芯片。
▲臺積電InFO_PoP和InFO_oS封裝技術(shù)示意圖（圖片來(lái)源：臺積電官網(wǎng)）
相對來(lái)說(shuō)，CoWoS的性能更好，但成本較高；InFO則采用RDL（重新布線(xiàn)層）代替硅中介層，無(wú)須TSV，性?xún)r(jià)比更高。這一技術(shù)還幫助臺積電搶下了如今其第一大客戶(hù)蘋(píng)果的訂單。事實(shí)上，2007年蘋(píng)果的第一款智能手機芯片便是由三星進(jìn)行代工。2011年，在蘋(píng)果和三星因Galaxy S手機外形問(wèn)題鬧上法庭之際，蘋(píng)果A系列芯片的主要供應商仍是三星。不過(guò)，隨著(zhù)蘋(píng)果和三星關(guān)系的惡化以及臺積電代工制程功耗、良率更加穩定，臺積電成為了蘋(píng)果的主要供應商。2016年，臺積電開(kāi)始為蘋(píng)果提供前后段整合服務(wù)，僅花InFO和光罩上的資本支出達10億美元。據熟悉臺積電的人士透露，由于InFO技術(shù)的產(chǎn)品更符合蘋(píng)果要求，臺積電才能拉開(kāi)和三星的差距，長(cháng)期獨占蘋(píng)果iPhone芯片訂單。整體來(lái)說(shuō)，倒裝芯片（Flip chip）、2.5D/3DIC和SoIC等技術(shù)的封裝密度依次升高。
▲臺積電Flip Chip、2.5D/3DIC、SoIC等封裝技術(shù)封裝密度和鍵合間距
相比CoWoS和InFO技術(shù)，SoIC可以提供更高的封裝密度和更小的鍵合間隔。SoIC是臺積電異構小芯片封裝的關(guān)鍵，具有高密度垂直堆疊性能。臺積電稱(chēng)，該技術(shù)可幫助芯片實(shí)現高性能、低功耗和最小的RLC（電阻、電感和電容）。從特點(diǎn)上講，SoIC技術(shù)支持不同芯片尺寸、功能和制程節點(diǎn)的異構集成，能夠直接實(shí)現晶圓對晶圓結合，且沒(méi)有突起的鍵和結構。臺積電認為，該技術(shù)較行業(yè)中的其他先進(jìn)封裝技術(shù)，具有更小的外形尺寸、更高的帶寬、更好的電源完整性、信號完整性和更低的功耗等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，SoIC和CoWoS/InFO可以共用，基于SoIC的CoWoS或InFO封裝將會(huì )帶來(lái)更小的芯片尺寸，實(shí)現多個(gè)小芯片集成。
▲臺積電SoIC技術(shù)示意圖（圖片來(lái)源：臺積電官網(wǎng)）
02.三星：三星電機發(fā)起四大技術(shù)布局先進(jìn)封裝
▲Galaxy手表及Exynos 9110拆解與逆向分析（圖片來(lái)源：MEMS）
據韓媒報道，盡管三星電機在2019年之前投資4億美元研發(fā)先進(jìn)封裝，但其投資力度仍顯不足。因此三星電子進(jìn)行內部收購，或將三星電機的PLP事業(yè)部歸入了自身，以重奪蘋(píng)果訂單。不過(guò)從三星電子在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)來(lái)看，子公司三星電機仍是其先進(jìn)封裝版圖的重要組成。具體來(lái)說(shuō)，三星的先進(jìn)封裝包括I-Cube、X-Cube、R-Cube和H-Cube四種方案。
▲三星電子I-Cube（左上）、X-Cube（右上）、R-Cube（左下）和H-Cube（右下）四種先進(jìn)封裝方案（圖片來(lái)源：三星官網(wǎng)）
I-Cube包括基板-芯片（CoS）或晶圓-芯片（CoW）兩種工藝，是采用硅中介層的2.5D封裝方案，能夠將一個(gè)或多個(gè)邏輯裸片（CPU、GPU等）和多個(gè)高帶寬內存（HBM）裸片水平集成在硅中介層上，“I-Cube4”已經(jīng)在去年5月推出，和臺積電的CoWoS-S技術(shù)類(lèi)似，主要的封裝客戶(hù)為百度。R-Cube為三星的低成本2.5D封裝方案，采用高密度的RDL技術(shù)，較I-Cube具有更快的周轉時(shí)間和更好的信號/電源完整性，設計靈活性較好。X-Cube是三星的3DIC封裝方案，包括晶圓-芯片（CoW）、晶圓-晶圓（WoW）和硅通孔（TSV）技術(shù)，具備更高密度的集成和更大的尺寸縮放。H-Cube則是三星電子在2021年11月最新推出的2.5D封裝解決方案，專(zhuān)用于需要高性能和大面積封裝技術(shù)的高性能計算（HPC）、人工智能（AI）、數據中心和網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品等領(lǐng)域。
▲三星H-Cube封裝解決方案（圖片來(lái)源：三星）
三星電子晶圓代工市場(chǎng)戰略部高級副總裁Moonsoo Kang稱(chēng)，該解決方案是由三星電機和安靠（Amkor）公司共同開(kāi)發(fā)。Amkor全球研發(fā)中心高級副總裁也認為這次合作，是晶圓代工廠(chǎng)和OSAT（封測）公司合作的成功案例。對于自己的先進(jìn)封裝產(chǎn)品，三星電子提供了兩種商業(yè)模式。第一種，其客戶(hù)可以選擇三星電子晶圓代工部門(mén)的封裝產(chǎn)品或安靠等封測合作伙伴產(chǎn)品；第二種，客戶(hù)則可以移交COT（客戶(hù)擁有的工具）、COPD（客戶(hù)擁有的物理設計）模型獲得。上周日，據韓媒報道，三星電子在DS（半導體事業(yè)暨裝置解決方案）事業(yè)部?jì)刃略O立了測試與封裝（TP）中心，意圖與臺積電在先進(jìn)封裝領(lǐng)域進(jìn)行競爭。03.英特爾：下一代Foveros技術(shù)2023年量產(chǎn)AWS成首個(gè)IFS封裝客戶(hù)
▲英特爾EMIB示意圖（來(lái)源：英特爾）
2014年，英特爾開(kāi)放代工業(yè)務(wù)，其先進(jìn)封裝布局開(kāi)始向外界披露。在EMIB正式披露后不久，當時(shí)英特爾代工業(yè)務(wù)的重磅客戶(hù)、FPGA龍頭Altera推出了行業(yè)中第一款異構系統級封裝芯片，集成了SoC、Stratix10 FPGA和SK海力士的HBM2。這顆芯片利用英特爾的EMIB技術(shù)，實(shí)現了DRAM與FPGA的互連問(wèn)題，初步向外界展示了英特爾先進(jìn)封裝的性能。自2017年至今，英特爾的EMIB產(chǎn)品一直在出貨且不斷迭代。2018年，英特爾在當年的架構日上發(fā)布了Foveros 3D封裝技術(shù)，將芯片堆疊從堆疊存儲器和無(wú)源轉接板擴展到高性能邏輯芯片上。該技術(shù)可以將芯片分為chiplet，其中I/O、SRAM和供電電路可以放在基板上，邏輯chiplet則可以堆疊在芯片頂部。
▲英特爾Foveros示意圖（來(lái)源：英特爾）
緊接著(zhù)，2019年7月，英特爾向行業(yè)分享了新的三大先進(jìn)封裝技術(shù)，分別為Co-EMIB、ODI和MDIO。其中Co-EMIB允許將兩個(gè)或多個(gè)Foveros封裝產(chǎn)品互連，其性能基本上與單個(gè)芯片相同。設計人員還可以用高帶寬和低功耗連接模擬、存儲器和其他磁貼。ODI是一種全向的互連技術(shù)，水平上可以讓頂部芯片實(shí)現類(lèi)似EMIB的通信，垂直上可以基于硅通孔實(shí)現類(lèi)似Foveros的垂直通信，且允許直接從封裝基板向頂部芯片供電。MDIO則是基于高級接口總線(xiàn)（AIB）的PHY級互連，實(shí)現了模塊化設計方法。其電源效率、引腳速度和帶寬密度是AIB提供的兩倍以上，號稱(chēng)在頻寬密度上優(yōu)于臺積電的LIPINCON互連技術(shù)。
▲英特爾Foveros Omni和Foveros Direct（來(lái)源：英特爾）
前者能夠通過(guò)高性能3D堆疊技術(shù)為裸片到裸片的互連和模塊化設計提供極高的靈活性，將不同晶圓制程節點(diǎn)的頂片與多個(gè)基片混合搭配，預計2023年進(jìn)入量產(chǎn)產(chǎn)品；后者則實(shí)現了向直接銅對銅鍵合的轉變，可以實(shí)現低電阻互連和10μm以下的凸點(diǎn)間距，將3D堆疊的互連密度提高了一個(gè)數量級。除了技術(shù)，英特爾甚至連封裝客戶(hù)都已經(jīng)找好了。在去年的英特爾架構日上，AWS宣布將成為首個(gè)使用英特爾代工服務(wù)（IFS）封裝解決方案的客戶(hù)。04.結語(yǔ)：先進(jìn)封裝攪亂產(chǎn)業(yè)格局異構集成或發(fā)揮更大作用
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