一文看懂3D封装技术

从半导体发展趋势和微系统层面来看，先进封测环节将扮演越来越重要的角色。如何把环环相扣的芯片技术链到一起，才是未来发展的重心。有了，与芯片和制造紧密配合，半导体世界将会开创一片新天地。现在需要让跑龙套三十年的技术走到舞台中央。日前，厦门大学特聘教授、云天半导体创始人博士在直播节目中指出，随着发展趋缓，通过来满足系统微型化、多功能化成为产业发展的新的引擎。在、、网络、等新兴产业的加持下，使得三维（3D）集成先进封装的需求越来越强烈，发展迅猛。

一、先进封装发展背景

封装技术伴随发明应运而生，主要功能是完成分配、信号分配、和保护。伴随着芯片技术的发展，封装技术不断革新。封装互连密度不断提高，封装厚度不断减小，三维封装、系统封装手段不断演进。随着集成电路应用多元化，智能手机、、、高性能计算、、等新兴领域对先进封装提出更高要求，封装技术发展迅速，创新技术不断出现。博士在分享中也指出，之前由于技术按照飞速发展，封装技术跟随发展。高性能芯片需要高性能封装技术。进入2010年后，中道封装技术出现，例如（， Level Package）、技术（，Through Silicon Via）、 Interposer、、Fan-Out 等技术的产业化，极大地提升了水平。当前，随着趋缓，封装技术重要性凸显，成为小型化、多功能化、降，提高的重要手段。先进封装向着系统集成、高速、高频、三维方向发展。图1展示了当前主流的先进封装技术平台，包括Flip-Chip、、Fan-Out、 IC、3D 、3D IC、 interposer等7个重要技术。其中绝大部分和技术相关。支撑这些平台技术的主要包括微凸点、再布线、植球、C2W、W2W、拆、等。先进封装技术本身不断创新发展，以应对更加复杂的三维集成需求。当前，高密度技术/Fan-Out扇出技术由于其灵活、高密度、适于系统集成，而成为目前先进封装的核心技术。图1 先进封装技术平台与

封装技术的发展得益于互连技术的演进和加工精度的显著提高。目前三种主要用于集成电路（IC）的互连技术分别为：引线技术（，WB）、技术（Flip Chip，FC）和技术（Through Silicon Via，TSV）。由于现代微电子级加工能力的大幅度提升，的布线能力亿达到微米量级。从线宽互连能力上看，过去50年，封装技术从1000μm提高到1μm，甚至亚微米，提高了1000倍。微凸点互连节距也从几百微米，发展到当前3D IC 的40微米节距，很快将发展到无凸点5微米以下节距。图2 主要封装技术发展

二、三维封装技术发展

1.1 2.5D 为解决有机基板布线密度不足的问题，带有TSV垂直互连通孔和高密度金属布线的基板应运而生。连接硅晶圆两面并与硅基体和其他通孔绝缘的电互连结构，采用TSV集成，可以提高系统集成密度，方便实现系统级的。带有TSV的硅基无源平台被称作TSV转接板（Interposer），应用TSV转接板的封装结构称为2.5D Interposer。在2.5D Interposer封装中，若干个芯片并排排列在Interposer上，通过Interposer上的TSV结构、再分布层（Redistribution Layer，RDL）、微凸点（Bump）等，实现芯片与芯片、芯片与封装基板间更高密度的互连。其特征是正面有多层细节距再布线层，细节距微凸点，主流TSV深宽比达到10:1，厚度约为100μm。台积电2008年底成立集成互连与封装技术整合部门，2009年开始战略布局三维集成电路（3D IC）平台。2010年开始2.5D Interposer的研发，2011年推出2.5D Interposer技术（Chip on on Substrate）。第一代采用6工艺，线宽可以达到0.25μm，实现4层布线，为、等高性能产品的集成提供解决方案。（）型号为“Virtex-7 2000T ”的产品是最具代表性的产品之一。图3 Virtex-7 2000T 结构示意图如图3所示，基于2.5D转接板技术的Virtex-7 2000T FPGA产品将四个不同的28nm工艺的FPGA芯片，实现了在无源硅中介层上并排互联，同时结合微凸点工艺以及TSV技术，构建了比其他同类型组件容量多出两倍且相当于容量达2000万门的，实现了单颗28nm FPGA逻辑容量，超越了摩尔定律限制。借助台积电（）的2.5D-TSV转接板技术平台在2011年实现小批量供货。注：芯思想研究院指出，真正引爆CoWoS的产品是（）芯片。2016年，（）推出首款采用CoWoS封装的绘图芯片GP100，为全球热潮拉开序幕；2017年在AlphaGo中使用的 2.0也采用CoWoS封装；2017年（）的Nervana也不例外的交由台积电代工，采用CoWoS封装。因成本高昂而坐冷板凳多年CoWoS封测产能在2017年首度扩充。 1.2 3D IC- 高密度TSV的第二个重要应用产品是（）。TSV技术在解决容量和方面具有决定性作用，通过高密度TSV技术垂直互连方式，将多个芯片堆叠在一起后和封装在一起，形成大容量，高位宽的组合阵列提升存储器容量和性能。 2013年10月成为了JEDEC通过的工业标准，首个使用HBM的是 Fury系列显示核心。 2016年1月第二代HBM（HBM2）成为工业标准。2016年发布的新款旗舰型Tesla运算加速卡Tesla P100、超微半导体（）的 RX Vega系列、的Knight Landing就采用了HBM2。例如， Vega 中使用的HBM2，由8个8Gb 芯片和一个逻辑芯片通过TSV和微凸点垂直互连，每个芯片内包含5000个TSV，在一个HBM2中，超过40000个TSV通孔。 HBM堆叠没有以物理方式与或GPU集成，而是通过细节距高密度TSV转接板互连，HBM具备的特性几乎和芯片集成的一样，因此，具有更高速，更高带宽。适用于高带宽需求的应用场合。博士评价：HBM与/GPU通过2.5D TSV转接板技术的完美结合，从芯片、制造、系统封装呈现了迄今为止人类先进的系统。而我国在这个尖端领域全面落后，亟需协同创新。于大全博士在报告分享中指出，当前，TSV开孔在约10μm，深宽比在约10：1，微凸点互连节距在40-50μm。在有源芯片中，由于TSV本身占据面积较大，且有应力影响区，因此，亟待进一步小型化，降低成本。从技术发展来看，TSV开口向着5μm以下，深宽比10以上方向发展，微凸点互连向着10μm节距、无凸点方向发展。图4 高性能3D TSV产品路线图图4总结了近几年高性能3D TSV产品路线图，可以看到越来越多的、GPU、存储器开始应用TSV技术。一方面是TSV技术不断成熟，另一方面，和高性能计算、人工智能的巨大需求牵引分不开。1.3 各家3D IC技术 1.3.1 台积电根据2018年4月台积电在美国加州 Santa Clara的24 届年度技术研讨会上的说明，是一种创新的多芯片堆叠技术，是一种将带有TSV的芯片通过无凸点混合实现三维堆叠。技术的出现表明未来的芯片能在接近相同的体积里，增加双倍以上的性能。这意味着SoIC技术可望进一步突破单一芯片运行效能，更可以持续维持摩尔定律。据悉SoIC根植于台积电的CoWoS与多晶圆堆叠（WoW，-on-Wafer）封装，SoIC特别倚重于CoW（Chip-on-wafer），如此一来，对于芯片业者来说，采用的IP都已经认证过一轮，生产上可以更成熟，也可以提升，也可以导入存储器芯片应用。更重要的是，SoIC能对或以下的制程进行晶圆级的键合技术，这将有助于台积电强化先进工艺制程的竞争力。在2018年10月的第三季法说会上，台积电给出了明确量产的时间，2021年SoIC技术就将进行量产。 1.3.2 3D封装技术Foveros 英特尔在2014年就首度发表高密度封装技术EMIB（ Multi-Die Interconnect Bridge，多核心互联桥接），表示该技术是2.5D封装的低成本替代方案；在2018年的HotChip大会上，发布了采用高密度2D技术EMIB封装的芯片；EMIB能够把采用不同节点工艺（、及）和不同材质（硅、）、不同功能（CPU、GPU、FPGA、）的芯片封装在一起做成单一处理器。英特尔表示，EMIB技术首先与典型的2.5D封装采用硅中介层不同，EMIB是在两个互连芯片的边缘嵌入的一小块硅，直到“桥梁”的作用；其次EMIB对芯片尺寸大小没有限制，从而在理论上保证了异质芯片的互连。 2018年12月，英特尔首次展示了逻辑计算芯片高密度3D堆叠封装技术Foveros，采用堆叠的（），来实现逻辑对逻辑（logic-on-logic）的芯片异质整合，通过在水平布置的芯片之上垂直安置更多面积更小、功能更简单的小芯片来让方案整体具备更完整的功能。英特尔表示，Foveros 为整合高性能、高密度和硅工艺技术的和系统铺平了道路。Foveros 有望首次将芯片的堆叠从传统的无源中间互连层和堆叠扩展到CPU、GPU和等高性能逻辑芯片。为结合高效能、高密度、制程技术的装置和系统奠定了基础。Foveros预期可首度将堆栈从传统的被动硅中介层（passive interposer）和堆栈内存，扩展到CPU、GPU、等高效能逻辑运算芯片。 Foveros提供了极大的灵活性，因为设计人员可在新的产品形态中“混搭”不同的技术专利模块与各种和I/O配置。并使得产品能够分解成更小的“芯片组合”，其中I/O、和传输电路可以集成在基础晶片中，而高性能逻辑“芯片组合”则堆叠在顶部。英特尔Foveros技术以3D堆栈的封装来进行异质芯片整合，也说明了SiP将成为后摩尔定律时代重要的解决方案，芯片不再强调制程微缩，而是将不同制程芯片整合为一颗模块。例如可以在CPU之上堆叠各类小型的控制芯片，从而制造出兼备计算与IO功能的产品；也可以将芯片组与各种Type-C、、WiFi等控制芯片堆叠在一起，制造出超高整合度的控制芯片。据悉，英特尔从2019年下半年开始推出一系列采用Foveros技术的产品。首款Foveros产品将整合高性能计算堆叠“芯片组合”和低功耗22FFL基础晶片。它将在小巧的产品形态中实现世界一流的性能与功耗效率。 1.3.3 英特尔2D/3D技术融合Co-EMIB EMIB封装和Foveros 3D封装技术利用高密度的互连技术，让芯片在水平和垂直方向上获得延展，实现高带宽、低功耗，并实现相当有竞争力的 I/O 密度。 2019年公司发布了Co-EMIB技术，这是在2D EMIB技术的升级版，能够将两个或多个 Foveros元件互连，实现更高的计算性能和数据交换能力，还能够以非常高的带宽和非常低的功耗连接模拟器、内存和其他模块，基本达到单晶片性能。半导体产业界都在不断的去推动先进多架构的发展，更好的满足高带宽、低功耗的需求。前面介绍的EMIB、Foveros、Co-EMIB等先进封装技术仅仅只是面的，除此之外，技术和互连技术也是实现多芯片异构封装的关键因素。英特尔表示，公司互连技术的研发主要体现正在三个方向：用于堆叠裸片的高密度垂直互连、实现大面积拼接的全横向互连、带来高性能的全方位互连。希望可以实现更高带宽和低延迟。

技术相比扇入（Fan-in）封装，对于芯片I/O数目、封装尺寸没有限制，可以进行多芯片的系统封装；同时晶圆级扇出技术取消了基板和凸点，不需倒装工艺，具有更薄的封装尺寸、优异的电性能、易于多芯片系统集成等优点。于2004年推出eWLB（ Wafer Level ）就是典型的技术，后来授权给（ASE）、星科金朋（，被收购）、 Nanium（被）收购；（）几乎与同时提出了类似概念，被称为RCP技术，2010年授权给Nepes。应用模塑料扇出的eWLB封装技术最主要的难点是由于CTE不匹配带来的问题，这导致对准精度差、圆片拿持困难。另外芯片在和塑封过程中以及塑封后导致的位置偏移，对于高密度多芯片互连是一个巨大挑战。随着工艺技术逐渐成熟，成本不断降低，同时加片工艺的不断提升，扇出封装将出现爆发性增长。 2.1 台积电扇出封装最具代表性的是台积电研发的技术，InFO带动了整个业界研发三维扇出堆叠技术的热潮。是将CoWoS结构尽量简化，最后出来一个无须硅中介层的精简设计，可以让芯片与芯片之间直接连结，减少厚度，成本也相对较CoWoS低廉，但又能够有良好的表现，适用于追求性价比的移动通信领域，在手机处理器封装中，减低30%的厚度，腾出宝贵的手机空间给或其他零件。这就是2016年首次开始在的A10处理器中采用InFO封装，首度用在iPhone 7与iPhone 7Plus中。InFO成为台积电独占苹果A系列处理器订单的关键。图5 台积电InFO技术（图片来源：C. F. Tseng et al., 2016, pp 1）图5展示了台积电InFO技术，通过将芯片埋入模塑料，以铜柱实现三维封装互连。InFO技术为A10、A11、A12处理器和存储器的封装提供了新的封装方案，拓展了WL-FO的应用，让Fan-Out技术成为行业热点。 A11处理器尺寸10mm×8.7mm, 比A10处理器小30%以上，塑封后表面3层布线，线宽8μm，密度并不高，主要原因还是重构模塑料圆片表面布线和问题。A11处理器In的封装尺寸13.9×14.8mm，与A10相比小8%，厚度790μm。台积电InFO技术的成功得益于强大的研发能力和商业合作模式。推出InFO技术，是为了提供制造和封装整体解决方案，即使在最初很低的情况下，台积电也能持续进行良率提升，这对封测厂来说是不可能的。 InFO技术的巨大成功推动制造业、封测业以及基板企业投入了大量人力物力开展三维扇出技术的创新研发。业界也发现，很多原本需要2.5D TSV转接板封装可以通过三维扇出来完成，解决了TSV转接板成本太高，工艺太复杂的问题。根据不同产品类别，台积电的InFO技术发展也将随之进行调整，推出适用于（High Performance Computer）电脑的InFO-oS（InFO_on substrate）、服务器及存储器的InFO-MS（InFO with on Substrate），以及封装方面的InFO-AiP（InFO Antennas in Packag）。 2018年台积电推出InFO_oS技术用于并排封装两个芯片，芯片与芯片之间的互连为2um。芯片之间的间隙小于70um；InFO_MS和InFO_oS基本相同，但在旁边带有HBM（高带宽内存）。 2.2 eSiFO 于2015年开始扇出封装技术开发，与使用模塑料塑封不同，华天科技开发了埋入硅基板扇出型封装技术eSiFO?（ Silicon Fan-out）。如图13所示，eSiFO?使用硅基板为载体，通过在硅基板上凹槽，将芯片正面向上放置且固定于凹槽内，芯片表面和硅圆片表面构成了一个扇出面，在这个面上进行多层布线，并制作引出端焊球，最后切割，分离、封装。 eSiFO?技术具有如下优点：

1)可以实现多芯片系统集成SiP，易于实现芯片2)满足超薄和超小芯片封装要求，细节距焊盘芯片集成(<60μm)，埋入芯片的距离可小于30μm3)与标准晶圆级封装好4)良好的性和电性5)可以在有源晶圆上集成6)工艺简单，小，无塑封/临时键合/拆键合7)封装灵活：//LGA/等8)与TSV技术结合可实现高密度三维集成图6 两颗芯片SiP集成（图片来源：）基于eSiFO?技术的产品包括 Transceivers、Controller、Sensors、前端、芯片，FPGA等等。图6展示了两个芯片集成的SiP封装。特别的，这里两个芯片同时置于一个异形腔体内，芯片之间的距离只有几十微米。这样保证了芯片间高密度的互连。华天的eSiFO?已实现量产，其中一个典型高密度多芯片系统封装产品出货量已达数百万颗。2020年2月，eSiFO?核心技术获得了美国专利授权（EMBEDDED SILICON SUBSTRATE FAN-OUT TYPE 3D PACKAGING STRUCTURE，US10559525 B2）。2020年3月荣获昆山市祖冲之攻关计划“金π奖”（唯一金奖）。2.3各家近年来（面板级扇出封装）封装技术受到的关注逐渐提高，如安靠（）、（ASE）、英特尔（）、纳沛斯（nepes）、（PTI）、电机（SEMCO）、品（）、欣兴电子（）等大厂，都纷纷投入面板级扇出型封装（Fan-Out Panel Level ，）技术研发，期待借此达到比晶圆级扇出型封装（Fan-Out ，）更高的生产效益。成本俨然成为FOPLP的最大优势，在成本的考量之下，FOPLP受到相关业者的认可。 2016年，电机成立了新的FOPLP部门，并建设了生产线，最初是用来生产()，进入2018年之后，开始为atch制造用于（）芯片，三星电机在FOPLP技术投入给4亿美元，和采用SiP-ePoP封装。PMIC和左右放置嵌入到基板中，实现垂直互连。Galaxy Watch PLP 具有三层RDLs和背面一层布线，减少20%封装厚度，提高了电、热、扩展容量。也推出面板级扇出型（Panel FO）封装，2019 年底产线建置完成，将于2020 下半年量产，应用在（）、射频前端模组（FEM）、电源（）、Server。 2016年在新竹科学园区建成首条Fine Line FOPLP产线试运行，2018年6月进入小批量生产阶段。产品是（）封测订单，首颗采用FOPLP封装技术的芯片于2018年第三季度问世，应用于车用领域。中科四合面板级扇出封装工艺开始批量进入应用。历时四年研发，中科四合已完成低数的分立板级扇出封装技术开发与量产，2019年Q4已实现DFN类封装产品月产能达到180KK，量产封装尺寸涵盖DFN0603、DFN1006、DFN2510、DFN3x3等，产品符合汽车级AEC-Q101标准，量产产品类型覆盖器件、等，目前单芯片和多芯片集成的产品、电源模块、模组等产品正在开发中。2020年，中科四合会持续加大板级扇出封装工艺的量产产能，DFN类封装产能在2020年的Q3要实现单月产能突破300KK，量产产品类型要从类产品扩展至MOSFET产品线。

玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）技术是一种应用于圆片级三维封装互连技术。可以应用于2.5D转接板集成、器件三维封装等领域。由于玻璃具有介电常数低，损耗角小等特性，TGV在传输方面有更大的优势。TGV具有优良高频电学特性，工艺流程简单，不需沉积绝缘层；机械稳定性强、翘曲小且成本低，大尺寸玻璃易于获取；在射频组件、集成，等方面得到广泛运用。

图7：厦门云天eGFO技术厦门云天半导体（Sky-semi）拥有领先的TGV技术，具有低成本通孔加工技术和填充技术。

通过晶圆级封装（wafer level package）技术可以实现芯片封装后面积尺寸和芯片本身面积尺寸保持一致，不额外增加面积；其次拥有极短的电性传输距离，使芯片运行速度加快，功率降低；同时还大大降低了芯片的封装成本。华天科技在基于TSV的3D WLCSP量产的基础上，于2016年开始研发应用于指纹的3D WLCSP，并于10月顺利量产，并批量供货给MATE9。于大全在分享中也指出，目前，通信已经进入5G时代，RF、滤波（）和等器件数量大幅增加，如何保持最优化的芯片面积，将推动WLP、SiP技术将获得更广泛应用。图8 先进封装：5G核心技术之一云天半导体可实现4/6英寸晶圆级芯片尺寸封装，采用薄膜制作空腔，具有超薄超小封装尺寸，目前已完成多款晶圆级三维开发。云天半导体还率先开发了基于的集成技术（WL-IPD），开展了高Q值、微带、、等一系列射频器件研发，具有低成本，高性能，易于三维集成等突出优点。研发了应用于封装的玻璃扇出技术（eGFO）。这项独特的技术有可能满足下一代毫米波芯片对高线性度，低，低损耗封装互连和更高板级的需求。目前已经为客户提供了77GHz+和9Hz芯片的封装解决方案。

三、晶圆级三维集成新趋势

TSV转接板CoWoS技术在高性能集成领域优势明显，但成本过高，只适合高端产品。扇出封装的整体市场还不大，除去InFO在AP上大规模应用，缺乏规模化量产应用。需要解决的是良率、可靠性，以及具体产品应用时，和传统封装的性价比情况。图9 几种三维晶圆级技术比较最近，台积电又提出了SoIC（System on ）的概念。该技术本质上属于3D IC技术范畴，主要采用为W2W、C2W混合键合技术，实现10μm以下I/O节距互连，减少，提高性能。芯片本身可以具有用于三位互连的TSV结构，由于取消了凸点，集成堆叠的厚度更薄。该技术适于多种封装形式，不同产品应用。此技术不仅可以持续维持摩尔定律，也可望进一步突破单一芯片运行效能瓶颈。 2019年3月，长电发布世界首个超宽频双极化的5G天线芯片晶圆级集成封装SmartAiP?（Smart Antenna in Package）工艺技术，这是SmartAiP? 3D-SiP工艺平台首次在具体市场领域得到应用。SmartAiP?通过超高的垂直铜柱互连提供更强三维(3D)集成功能，加上成熟的多层双面再布线(RDL)技术，结圆级精准的多层天线结构、芯片倒装及表面被动组件，使得SmartAiP?实现了5G天线与射频前端芯片模块化和微型化的高度集成加工，具有集成度高、性好、工艺简练的特点。 2020年发布了处理器，该处理器将使用多块制造的计算芯片（compute die）堆叠在使用制造的基底芯片（base die）上，这个22nm芯片即“有源转接板”（active interposer）。10nm计算芯片与22nm基底芯片之间使用TSV通孔做电气互联，同时计算芯片之间的通信则通过基底芯片中的互联来完成。可以预见，这种有源转接板将不断得到应用。于大全博士认为，有源芯片高密度TSV互连技术的出现，以HBM和有源转接板集成技术为代表，标志着前道封装时代的到来。

四、总结

先进封装技术越来越依赖于先进制造工艺，越来越依赖于设计与制造企业之间的紧密合作，因此，具有前道工艺的代工厂或IDM企业在先进封装技术研发与产业化方面具有技术、人才和资源优势，利用前道技术的封装技术逐渐显现。台积电近年来成为封装技术创新的引领者。从台积的CoWoS到InFO，再到SoIC，实际上是一个2.5D、3D 封装，到真正三维集成电路，即3D IC的过程，代表了技术产品封装技术需求和发展趋势。作为封测代工企业（OSAT），面临前道企业在先进封装技术领域的竞争，必须寻求对应低成本高性能封装技术，展开差异化竞争，才能在激烈的竞争中不断发展。随着集成电路应用多元化，智能手机、、、高性能计算、5G、人工智能等新兴领域对先进封装提出更高要求，封装技术发展迅速，创新特别活跃，竞争特别激烈。先进封装向着系统集成、高速、高频、三维、超细节距互连方向发展；晶圆级三维封装成为多方争夺焦点，台积电成为封装技术创新的引领，利用前道技术的前道封装技术逐渐显现。高密度TSV技术/FO扇出技术成为新时代先进封装的核心技术。技术本身不断创新发展，以应对更加复杂的三维集成需求。其中针对高性能CPU/GPU应用，2.5D TSV转接板作为平台型技术日益重要。存储器，特别是HBM产品，得益于TSV技术，带宽得到大幅度提升。扇出型封装由于适应了多芯片三维系统集成需求，得到了快速发展。多种多样的扇出技术不断涌现，以满足高性能、低成本要求。一些扇出技术的研发是为了取代2.5D高成本方案，但三维扇出的垂直互连密度不高。玻璃通孔集成技术由于创新性的低成本通孔加工技术开发成功，在射频领域的应用将会得到大规模应用。晶圆级三维封装在RF射频模块领域具有巨大应用潜力。