先进封装技术将推动后摩尔时代的半导体发展

电子发烧友·2021-02-04 18:44

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摩尔时代面临终结

智能终端时代,生活所需的各种电子产品里,芯片的应用越来越多,半导体芯片的重要性已不言而喻。未料, 华为 和中芯国际被美国下重手断供芯片和技术,对我们犹如当头一棒。但笔者认为,美国这一棒有两面性,在断供导致华为和中芯发展受挫的同时,也把中国的半导体界敲醒了,而且时机很微妙,竟是在摩尔定律快要走在尽头的时候。

摩尔定律是美国芯片巨头 英特尔 公司创办人之一的戈登.摩尔(GordonMoore)在1965年于《电子学》杂志所提出。指的是一个尺寸的硅片上所容纳的 晶体管 数量,因制程技术的提升,每18个月就会增加1倍。而且,虽然使用的技术更先进、性能也更强大了,但售价不变。1975年,摩尔又根据产业的发展趋势修改了自己的观察结果,改为 晶体 管的数量每2年增加1倍。

过去数十年来,摩尔定律就犹如法则一般引领了半导体行业的发展,半导体制程持续升级,芯片中的电晶体 线宽 从数十微米逐渐缩小到纳米等级。

然而,半导体产业环境在近两年产生了巨大的变化,当先进制程技术已走到7纳米、5纳米,甚至在未来几年朝着3纳米、2纳米制程迈进的同时,晶体管大小正不断逼近原子的物理体积极限。

但摩尔定律到底会在什么时候停止?没有人知道答案。

图形 处理器巨头NVIDIA公司的创始人 黄仁勋 在2017年就认为摩尔定律已走到尽头。全球芯片代工龙头台积电创始人张忠谋也曾说,摩尔定律在2018年就会停止。

当时他们预测的节点是7纳米和5纳米,但现在台积电3纳米的技术已经有眉目了,可见他们两位的预测看起来都没有实现。所以说摩尔定律的极限在哪,连这两位半导体界的权威人物都拿捏不准,但至少摩尔定律存在极限这一点,他们两位看法一致。

因此,笔者可以下结论,摩尔定律并非像牛顿提出的万有引力一样,属于永恒的、真理般的自然科学规律,只是半导体行业的指导规则或目标,会随着发展遇到瓶颈,直到被时间废除。

先进封装技术将推动后摩尔时代的半导体发展

半导体界想继续为摩尔定律续命的话,只有两个方法。第一,制程继续提升;第二,将晶体数量从平面增加改为垂直堆叠。

从当前的全球半导体产业的竞争态势来看,目前全球有能力往最先进制程发展的公司,只剩台积电、 三星 、英特尔这三家。但摩尔定律能否续命又不完全不取决于它们,上游产业极紫外线光刻(E UV )等微影技术半导体生产设备的发展,更是关键。

如果当制程到了3纳米甚至是2纳米之后,无法再继续进步,那就意味着靠制程推动的摩尔定律时代的终结,但与此同时,5G、人工智能、物联网等应用正快速兴起,对芯片的性能要求更高怎么办?于是,为了继续提升芯片效能,半导体界就不得不往另一个技术方向迈进了,这就是把晶体垂直堆叠起来的先进封装技术。

那么,相比于靠制程平面化推动的摩尔时代,向上发展的先进封装技术就是后摩尔时代。

其实,芯片垂直堆叠并不是什么全新的技术,我们最熟悉的手机处理器就采用了被称为小芯片系统(Chiplet)的先进封装技术。只是相比于制程的进步速度太快,封装技术显得慢了许多。因此,在摩尔定律面临极限时,封装技术要比制程技术的提升前景更大。

先进封装是什么?简单来说,传统封装就像是把芯片安在一个量身定做的外壳里,这个外壳不简单,不仅要保护芯片在工作时不受外界的水气、灰尘、静电等因素干扰,还要能散热、能固定芯片保证不散架等。

而先进封装则的要求是能达到异质整合,指的就是将至少两个不同性质的晶体管、 电子元件 封在一起。例如仅最重要的高速运算芯片需要5纳米生产,但其他电源、存储芯片等,只用10纳米成熟制程生产,再用2.5D、3D等多维度空间技术封装在一个外壳里,与小朋友们爱玩的堆积木有几分类似。

与传统封装相比,先进封装能减少电源、存储等芯片的空间占用比,同时增加高速运算芯片的占用比,以此达到摩尔定律晶体管数量每2年增加1倍的目标。

先进封装的主流技术有以下几种,硅 通孔 (TSV)、包括倒装芯片(FC)、嵌入式封装(ED)、扇入型晶圆级封装(FIWLP)、系统级封装(SiP)、扇出型晶圆级封装(FOWLP)等各都有拥护者。

这几年台积电的成功,除了先进制程技术不断进步外,最重要就是小芯片与先进封装的进展,台积电研发先进封装的部门,就被命名为超越摩尔办公室,可见制程技术全世界最领先的台积电,也把先进封装视为后摩尔时代的关键。

先进制程固然重要,但先进封装也是关键一战

一般来说,与先进制程相比,先进封装在互联网上的关注度的低了许多的,但在摩尔定律趋缓与后摩尔时代逼近的关键时刻,先进封装在整个半导体产业链中的重要性将越来越突出,更将成为后摩尔时代半导体技术的最重要的发展指标。

虽然中国芯片制造在制程上还要继续爬坡,当然一定会持续投资最先进的制程,但也不能忽略先进封装,如何两只脚都能站稳且齐头并进,显然是我们接下来最重要的课题。

再加上极紫外光(EUV)微影设备无法取得,先进制程研发难以开展,中国半导体界更须强化先进封装技术,让已掌握的成熟制程得以发挥效益,才能度过这段技术落差的难关。

技术是市场驱动的,因为技术、良率是通过大生产做出来的,只要有投片量就能在工艺和技术上有所提升。恰好中国又是全球最大的芯片市场,而且还已开始大力扶持本土半导体产业,全球半导体第三次国际产能向中国转移大势所趋,这是我们本土企业的优势所在。

除此以外,还有一个利好,封测是中国半导体产业中发展比较完善的一个领域,甚至可以说是最强项,中国封测企业整体在先进封装的营收占比在30%到40之间,只稍稍低于全球平均水平的41%,比制程方面的落后幅度小了许多。

中国在封测领域不乏佼佼者,比如长电科技在SiP封装、2.5D、3D封装的研制实力不容小觑,华天科技则在WLCSP、TSV、Bumping、Fan-out、FC等多个技术不断加大研发投入与产出,通富微电则拥有Bumping、WLCSP、FC、 BGA 、SiP等先进封测技术,并在2D、2.5D封装技术研发上取得突破。总的来说,中国三大封测巨头在先进封装领域,在我们还没来得及留意的时候就已各有斩获。

但也不能说中国在先进封装领域已稳操胜券,由于先进封装的巨大前景,使得众多厂商蜂拥而至,让这一赛道骤然拥堵。

曾经,IDM(垂直整合一体化制造服务)与OSAT(外包封装测试)是传统半导体封测行业中的两种商业模式。如三大半导体龙头企业台积电、三星、英特尔都属IDM模式,OSAT则为客户提供单一的代工封装测试服务。

但如今OSAT企业除了面临来自上游芯片厂的竞争外,还要面临富士康、基板和PCB厂商的跨界竞争,让先进封装格局再起波澜。

笔者认为,对中国而言,前段芯片制造与后段先进封装,缺一不可,全部包办起来打造一条高度整合的供应链,才能在这场激烈的竞赛中领先胜出。

你觉得中国应该专注制程上的追赶还是与封装一起齐头并进呢?
责任编辑:YYX

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