美國押注3D封裝，為芯片未來(lái)做準備

來(lái)源：內容來(lái)自半導體新芯聞（ID:MooreNEWS）綜合。

近年來(lái)，從媒體的報道中我們得知，3D封裝在未來(lái)必然在未來(lái)扮演重要的角色。作為世界領(lǐng)先的集成電路國，美國在這方面也擁有同樣的觀(guān)點(diǎn)。
據報道，美國商務(wù)部國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 先進(jìn)制造辦公室已選擇半導體研究公司 (SRC) 通過(guò)廣泛的社區參與來(lái)定義微電子行業(yè)的未來(lái)技術(shù)目標并確定如何實(shí)現這些目標。他們同時(shí)指出，佐治亞理工學(xué)院與 SRC 合作，將在該路線(xiàn)圖工作的治理中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并作為主要貢獻者。
3D 系統封裝研究中心執行董事 Madhavan Swaminathan 表示：“我們的工作對于重新獲得美國在先進(jìn)封裝制造領(lǐng)域的領(lǐng)導地位至關(guān)重要，因為我們利用我們在 3D 微系統方面的專(zhuān)業(yè)知識，將未來(lái)的異構信息、通信和其他不同的設備集成到一個(gè)單一系統中，為可信微電子提供途徑?！?/span>
而據研究中心的報道顯示，喬治亞理工學(xué)院 3D Systems 封裝研究中心 (PRC) 是一個(gè)源自于NSF 工程研究中心，是一家專(zhuān)注于先進(jìn)封裝和系統集成，從而實(shí)現封裝系統 (SoP) 技術(shù)。該中心在包裝的各個(gè)方面進(jìn)行研究和教育，包括設計、材料、工藝、組裝、熱管理和應用驅動(dòng)的集成，其中包括高性能計算、人工智能、汽車(chē)、寬帶無(wú)線(xiàn)和空間等廣泛領(lǐng)域。中心團隊由來(lái)自五所學(xué)校的29名教職員工、11名研究/管理人員、50多名研究生/本科生和數名客座工程師組成。這是一個(gè)由48 家行業(yè)/政府機構以及14 所大學(xué)共同推動(dòng)的項目。

封裝中心的愿景

中心認為，世界正在朝著(zhù)由人工智能 (AI) 支持的系統發(fā)展，因此我們認為這是系統集成的主要驅動(dòng)力。圖 1 顯示了未來(lái) 15 年基于神經(jīng)形態(tài)傳感和計算的汽車(chē)、工業(yè)和移動(dòng)領(lǐng)域的預期市場(chǎng)規模，這代表了一個(gè)相當大的機會(huì )。如果一個(gè)人專(zhuān)注于傳統計算，那么 CMOS、CPU 和 GPU 設備和架構的使用會(huì )受到摩爾定律、內存墻和熱墻的限制，如圖 1 所示，因此需要具有更好內存訪(fǎng)問(wèn)的神經(jīng)形態(tài)傳感和計算。這是佐治亞理工封裝中心的技術(shù)愿景。

中心同時(shí)指出，使用硬件中的神經(jīng)進(jìn)化從環(huán)境中持續學(xué)習的示例表明，我們需要在沒(méi)有 (i) 預訓練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) (DNN) (ii) 標記數據集和 (iii) 與 由于延遲導致的后端云服務(wù)器，如圖 2 所示。對于此類(lèi)新興應用程序，要求使用進(jìn)化算法不斷進(jìn)化 DNN 拓撲以響應獎勵，該進(jìn)化算法需要比 CPU 和 GPU 高 2 到 5 個(gè)數量級能效的芯片。對于此類(lèi)架構，具有低能量每比特 (EPB) 和高帶寬密度的數據移動(dòng)變得至關(guān)重要。數據移動(dòng)可以分為兩個(gè)主要部分，即：i) 長(cháng)距離，在需要無(wú)線(xiàn)技術(shù)的情況下，從環(huán)境中進(jìn)行交互和數據收集變得至關(guān)重要；ii) 支持節能計算的短距離，如圖 2 所示。

圖 3 顯示了在單個(gè)平臺上結合無(wú)線(xiàn)和計算功能的系統架構，它由在集成基板上互連在一起的多個(gè)小芯片組成。這些小芯片來(lái)自多個(gè)領(lǐng)域，包括邏輯、高帶寬存儲器 (HBM)、射頻 (RF)、光子學(xué) (PIC) 和傳感/驅動(dòng)。這些小芯片緊密集成，支持結合了 CPU、GPU 和 ACC（加速器）的高性能計算 (HPC)，集成了電力輸送和管理，并通過(guò)寬帶 5G 和超過(guò) 5G (6G) 的無(wú)線(xiàn)連接與環(huán)境交互。
這種融合的封裝系統 (SoP) 模塊將通過(guò)短距離、大規模并行 (Cu) 互連使用 2.5D 和 3D 連接互連芯片，用于使用超越 CMOS 器件的數字通信、用于射頻的嵌入式 III-V 裸片（腔內裸片）放大器、使用硅光子學(xué) (PIC) 的 SerDes 模塊中的光子互連、具有連接到嵌入式無(wú)源器件的 GaN 功率 FET 的開(kāi)關(guān)穩壓器、天線(xiàn)陣列 (FEM) 和全方位的熱管理解決方案等等。
這種未來(lái)的異構 SoP 模塊與 IEEE 異構集成路線(xiàn)圖 一致，該路線(xiàn)圖為電子行業(yè)提供了愿景，并確定了與封裝技術(shù)相關(guān)的未來(lái)挑戰和潛在解決方案。我們相信，與片上系統 (SoC) 或使用當今實(shí)踐的多級封裝相比，SoP 方法將帶來(lái)增強的功能和改進(jìn)的操作特性。

多年來(lái)，系統集成是由片上系統 (SoC) 技術(shù)推動(dòng)的，從而導致具有可擴展設備的更大 SoC。隨著(zhù)向異構集成的發(fā)展，我們看到對集成的需求遠遠超出多芯片模塊 (MCM)、系統級封裝 (SIP) 和 3D 堆棧，并提供此類(lèi)技術(shù)無(wú)法實(shí)現的屬性。
因此，我們的愿景是開(kāi)發(fā)下一代 SoP 技術(shù)，將封裝和電路板融合在一起，包含涵蓋多個(gè)信號域的嵌入式功能，提供與 SoC 的無(wú)縫接口，可以在兩側組裝或嵌入到封裝中，并且高度可靠 ，如圖 4 所示。我們將這種異構集成的系統模塊視為延續摩爾定律的一種手段。

Yole：3D堆疊IC的前景可期

產(chǎn)業(yè)研究機構Yole Développement(Yole)的最新研究指出，在A(yíng)I、資料中心和HPC發(fā)展的推動(dòng)下，FCBGA封裝的營(yíng)收預期將從2020年的100億美元成長(cháng)至2025年的120億美元。FCBGA封裝未來(lái)五年的產(chǎn)業(yè)規模年平均復合成長(cháng)率(CAGR)達3%。截至2025年，FCBGA營(yíng)收預期將超過(guò)100億美元。晶圓需求主要來(lái)自3D堆疊元件，與2020年相較，晶圓總體成長(cháng)為CAGA 8.5%。
其中包含FCBGA、扇出型、WLCSP和3D堆疊封裝，3D堆疊IC的目標是在未來(lái)五年中以24.8％的CAGR成長(cháng)，其中HBM占48%、3D占27%，而3D NAND占82%。臺積電仍保持領(lǐng)先地位，其2019年占扇出型封裝市場(chǎng)69%市占率。WLCSP封裝在智慧手機相關(guān)應用中已經(jīng)成為不可或缺的一環(huán)。另外，日月光半導體、江蘇長(cháng)電科技、安靠科技和矽品是WLCSP晶圓市場(chǎng)的領(lǐng)導廠(chǎng)商。

中介層、EMIB、Foveros、die對die的堆疊、ODI、AIB和TSV。所有這些單詞和首字母縮寫(xiě)詞都具有一個(gè)重要的功能，它們都涉及硅的兩個(gè)位之間如何物理連接。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)印刷電路板連接兩個(gè)芯片。這種方案很便宜，但沒(méi)有太大的帶寬。在這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現之上，還有多種方法可以將多個(gè)小芯片連接在一起，而臺積電擁有許多這樣的技術(shù)。為了統一其2.5D和3D封裝變體的所有不同名稱(chēng)，TSMC在早前的技術(shù)大會(huì )上推出了其新的首要品牌：3DFabric。
3DFabric作為一個(gè)品牌具有一定的意義，可以將臺積電提供的數十種封裝技術(shù)結合在一起。從廣義上講，3DFabric分為兩個(gè)部分：一方面是所有“前端”芯片堆疊技術(shù)，例如晶圓上芯片，而另一方面是“后端”封裝技術(shù)，例如InFO（Integrated Fan-Out)）和CoWoS（Chip-On-Wafer-On-Substrate）。
附：?jiǎn)讨蝸喞砉?D封裝的講解