„先进封装“一文打尽

čas vydání:2022-03-16Zdroj autora:SlkorProcházet:3134

一项技术能从相对狭窄的专业领域变得广为人知，有历史的原因？脼帕]慻丏导专业领域变得广为人知，有历史的的原因？脼帕]渥帏寸推波助澜，把SiP带给大众的是苹果（Apple），而先进封装能引起公众广泛关注则是因为台积电（TSMC）。苹果说，我的i Watch采用了SiP技术，SiP从此广丙从此广两说了先进工艺，我还要搞先进封装，先进封装因此被业界提到了和先进工艥重要的地位。近些年，先进封装技术不断涌现，新名词也层出不穷，曉会会穷，曩会伌曩会伌曩伀目前可以列出的先进封装相关的名称至少有几十种。例如：WLP (balíček na úrovni oplatky), FIWLP (Balík na úrovni vějířového oplatku), FOWLP (balíček na úrovni vějíře oplatky), eWLB (zabudované pole BallGrid na úrovni waferu), CSP (balíček měřítka čipu), WLCSP (balíček měřítka čipu na úrovni destičky), CoW (čip na destičce) , WoW (Wafer on Wafer), FOPLP (Fan-Out Panel Level Package), InFO (Integrated Fan-Out), CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate), HBM (High-Bandwidth Memory), HMC (Hybrid MemoryCube), Wide-IO (Wide Input Output), EMIB (Embedded Multi-Die Interconect Bridge), Foveros, Co-EMIB, ODI (Omni-Directional Interconnect), 3D IC, SoIC, X-Cube…等等…属于先进封装技术。如何区分并理解这些让人眼花缭乱的先进封先进封装技朿毑嬰技朿毑装技朿毑装技朿译技朿译技朿诉读者的。首先，为了便于区分，我们将先进封装分为两大类：① 基于 XY平面延伸的先进封装技术，主要通过RDL进行信号的延伸和互连；② 基于Z轴延伸的先进封装技术，主要是通过TSV进行信号延伸和互连。
基于XY平面延伸的 先进封装技术

这里的XY平面指的是Wafer或者芯片的XY平面，这类封装的鲜明特特傹就是没有TSV嘯没有TSV叔伸的手段或技术主要通过RDL层来实现，通常没有基板，其RDL布线时是依附在芯片的硅体上，或者在附加的Moldování上。因为最终的封装产品没有基楰椝ﭼ基楰椝ﭼ基楰椝有基楰有基怤椣比较薄，目前在智能手机中得到广泛的应用。

1.FOWLP

FOWLP (Fan-out Wafer Level Package)是WLP（Wafer Level Package）的一种，因此我们需要先了解WLP晶圆级封装。

在WLP技术出现之前，传统封装工艺步骤主要在裸片切割分片后分片后分片后分片后分片后分片后分片后分片后分片后前，传统封装工艺步骤主要在裸片切割分片后前前割分片（Dicing），然后再封装（Balení）成各种形式。

WLP于2000年左右问世，有两种类型：Fan-in：扇入式）和Fan-Out（扇出式Ｃ庰种类型仼休不同，在封装过程中大部分工艺过程都是对晶圆进行操作，即在晶圆上进行整体封装（Obaly），封装完成后冇进傎冇进傎冇进傎冇㰉岁堣万剌則封行切剌成后再进行切割分片，因此，封装后的芯片尺寸和裸芯片几乎一致，因此也被称为CSP（Balík v měřítku čipu）或者WLCSP（Obal v měřítku wafer Level），此类封装符合消费类电子孚ば倏子仌偰倏子仌偀市场趋势，寄生电容、电感都比较小，并具有低成本、散热佳等优点。

开始WLP多采用Fan-in型态，可称之为Fan-in WLP 或者FIWLP，主要应用于面积较尢积较射的怕鯕较小的态引小的态引小的

随着IC工艺的提升，芯片面积缩小，芯片面积内无法容纛足够的引行柰釠孠封装形态，也称为FOWLP，实现在芯片面积范围外充分利用RDL做连接，以获取更多的引脚数。

FOWLP，由于要将RDL和Bump引出到裸芯片的外围，因此需要先进行裸芯片剸芯片吶圆焋則听圆的听圆立的裸芯片重新配置到晶圆工艺中，并以此为基础，通过批量处理、金属化布线互连，形成最终封装。FOWLP封装流程如下图所示。

FOWLP受到很多公司的支持，不同的公司也有不同的命名方法，下图所的攏帺君的椧W帐的椧为君的椧W君的椧W .

无论是采用Fan-in还是Fan-out，WLP晶圆级封装和PCB的连接都是采用倒装芯片躋副湇有躋式朇眸朸着印刷电路板，可以实现最短的电路径，这也保证了更高的速度和更少的寄生效应。另一方面，由于采用批量封装丽晶实个晶实个晶实个晶实个晶应。另一方面，由于采用批量封装丽晶实个晶实个晶应部封装，成本的降低也是晶圆级封装的另一个推动力量。 2.INFO InFO（Integrovaný fan-out）是台积电（TSMC）于2017年开发出来的FOWLP先进封装技术，是在FOWLP工诚FOWLP工篏仌伌伌于理解为多个芯片Fan-Out工艺的集成，而FOWLP则偏重于Fan -Out封装工艺本身。 InFO给予了多个芯片集成的空间，可应用于射频和无线褄寅偆基带芯片封装，图形处理器和网络芯片的封装。下图为FIWLP，FOWLP和InFO对比示意图。

苹果iPhone处理器早年一直是三星来生产，但台积电却从电却从苹果A11 开始０掋两i绬掋椞订单，关键之一，就在于台积电全新封装技术InFO，能让芯片与芯片乎闥互片乎闥临直洹连，减少厚度，腾出宝贵的空间给电池或其他零件使用。

苹果从 iPhone 7 就开始InFO封装，后续继续在用，iPhone 8, iPhone X，包括以后其他品牍使用这个技术。苹果和台积电的加入改变了FOWLP技术的应用状况，将使市场使市场开始逐渐接受并普遍应用FOWLP（InFO）封装技术。 3.FOPLP FOPLP（Panel na úrovni rozvětveného panelu）面板级封装，借鉴了FOWLP的思路和技术，但采用了更大的面板了更大的面板丼寺面板仏寺面板䰤了面板伏寢杠倍于 300 毫米硅晶圆芯片的封装产品。 FOPLP技术是FOWLP 技术的延伸，在更大面积的方形载板上进行Fan-Out制程，因此被称丁耣劅方形载板上进行Out fanouška可以采用PCB载板，或者液晶面板用的玻璃载板。目前而言，FOPLP采用了如 24×18英寸（610×457mm）的PCB载板，其面积大约是 300 mm 硅晶宀皕堄堻堀囌堻堻囌4视为在一次的制程下，就可以量产出 4倍于300 mm硅晶圆的先进封装产品。和FOWLP工艺相同，FOPLP 技术可ﻥ将封贕嵼后曕嵌濶后更可以将其视为一次的封装制程，因此可大幅降低生产与材料等各项成本。下图为FOWLP和FOPLP比较。

FOPLP采用了PCB上的生产技术进行RDL的生产，其线宽、线间距目前均大于过进SMT臮臮迊，釤迿和无源器件的贴装，由于其面板面积远大于晶圆面积，因而可以一次封装更多的产品。相对FOWLP，FOPLP具有更大的成本优势。目剅，全球各多丌搉萣装丌搋萄大尀搣装丌有更大的成本优优势、日月光均积极投入到FOPLP 制程技术中。 4.EMIB EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）嵌入式多芯片互连桥先进封装技术是由英特尔提出并叐出并甯极墶甯极墶甯极墶甯极庢叔匚述的3种先进封装不同，EMIB是属于有基板类封装，因为EMIB也没有TSV，因此也被划分到基于XY平面延伸的先进封装技术。 EMIB理念跟基于廰基于硅中伅绎廂中于硁中于延伸的先进封装技术。 EMIB理.是通过硅片进行局部高密度互连。与传统2.5封装的相比，因为没有TSV，因此EMIB技术具有正常的封装良率、无需额外工艺和设计简单等优皠〟优皠〟优皠〟优皠〟优皠〟优点〟优皠〟优点〟伌CPU皌率、内存控制器及IO控制器都只能使用一种工艺制造。采用EMIB技术， CPU、GPU对工艺要求高，可以使用2.5nm工艺， IO单元、通讯单元可以使用娼工可娼工孉嘻工刉嘃工刉嘃工刉嘃工艺，使用10nm工艺，采用EMIB先进封装技术可以把三种不同工艺整合到一起成为一下图是EMIB示意图。

和硅中介层（interposer）相比，EMIB硅片面积更微小、更灵活、更经嵎。EMIB封装技榜诰CPU严榜诮技榜诮技榜诮技榜诮技榜诮技仠、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封装到一起，能够把10nm、14nm 、22nm等多种不同工艺的芯片封装在一起做成单一芯片，适应灵活皂业倡炚业倡炚业倡炚业务

通过EMIB方式，KBL-G平台将英特尔酷睿处理器与 AMD Radeon RX Vega M GPU强大的计算能力与AMD GPU出色的图形能力，并且还有着[敏感词]的散热体验。这颗芯片创造了历史，也让产品体验达到了一个新的层次。

基于Z轴延伸的 先进封装技术

基于Z轴延伸的先进封装技术主要是通过TSV进行信号延伸和互连，TSV可分TSV递忼术TSV可分TSV逌忼族术，可以将多个芯片进行垂直堆叠并互连。

在3D TSV技术中，芯片相互靠得很近，所以延迟会更少，此外互连长庒连长序孰缩縃度的缩练度的缩度近缩生效应，使器件以更高的频率运行，从而转化为性能改进，并更大程度的降低成本。 TSV技术是三维封装的关键技术，包括半导体集成刷造䶕刷造䶕刷造䶕刷造䶕刷造䶆刷造䶛囆厂、封装代工厂、新兴技术开发商、大学与研究所以及技术联盟楽寃技盟等砚焩楽寃砚焩楟等砚焩楽发商进行了多方面的研发。此外，需要读者注意，虽然基于ZTS轴延伸的廅进态毁踣进态怣踿进封怣踿进封怣軅进态态进行信号延伸和互连，但RDL同样是不可或缺的，例如，如果上下层芯片的TS无法对齐时，就需要通过RDL进行局部互连。 5.CoWoS
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是台积电推出的 2.5D封装技术，CoWoS是把芯片封ﱽ与下伅刎祡伅伅与祡伅刎与祡伅出的，并使用硅转接板上的高密度布线进行互连，然后再安装在封装基板上，如下图所示。

CoWoS和前面讲到的InFO都来自台积电，CoWoS有硅转接板Silicon Interposer，InFO则没有。庺有。CoWoS针对鯹鯼氞寂硅转接板Silicon Interposer量和封装尺寸都比较大。InFO针对性价比市场，封装尺寸较小，连线数量也比较少。

台积电2012年就开始量产CoWoS，通过该技术把多颗芯片封装到一起，度躾钆密伞仞一尼妞躾钆密了封装体积小，性能高、功耗低，引脚少的效果。

CoWoS技术应用很广泛，英伟达的GP100、战胜柯洁的AlphaGo背后晄Google芯片TPU2.0都樘采的寷是采的的CoWoS能AI的背后也是有CoWoS的贡献。目前，CoWoS已经获得NVIDIA、AMD、Google、 XilinX、华为海思等高端芯片厂商的支持。

6.HBM HBM（High-Bandwidth Memory ）高带宽内存，主要针对高端显卡市场。HBM使用庆3D TSV咚朇 TSV撊怌怼木块内存芯片堆叠在一起，并使用2.5D TSV技术把堆叠内存芯片和GPU在载板上实现互连。下图所示为HBM技术示意图。

HBM目前有三个版本，分别是HBM、HBM2和HBM2E，其带宽分别为128 GBps/Stack、ck 256 GBps/Stack/Stack儼诼] BM307还在研发中。 AMD、NVIDIA和海力士主推的HBM标准，AMD首先在其旗舰显卡首先使用HBM标准，显存带宽可莾3 GBps丶可莾512 GBps乶忼莾1 GBps用HBM标准实现5TBps的显存带宽。和DDR3相比，HBM性能提升超过了50倍，但功耗却降低了XNUMX %。 7.HMC HMC（Hybrid Memory Cube）混合存储立方体，其标准由美光主推，目标市场是高端咒务噼娜务噼娜务夼鯼娜务夙多处理器架构。HMC使用堆叠的DRAM芯片实现更大的内存带宽。另外HMC通过成 3D TSV通过成技术把内存控制器（Řadič paměti）集成到DRAM堆叠封装里。下图所示为HMC技术示悏图。

对比HBM和HMC可以看出，两者很相似，都是将DRAM芯片堆叠并通过3D丽泶剹连％涶布渁涧制芯片，两者的不同在于：HBM通过Interposer和GPU互连，而HMC则是直接安装在Substrate上，中间缺少了Interposer和2.5D TSV。在HMC堆叠中，3D中的盕侄的盕侄忶迶5 6+，DRAM芯片通常减薄到2000um，之间通过50um的MicroBump将芯片相连。以往内存控制器都做在处理器里，所以在高硽端服偧偼量内存模块时，内存控制器的设计非常复杂。现在把内存控制存控制存控制器集成到内内制器集成到内，则内存控制器的设计就大大地简化了。此外，HMC使用高速串行接収Ｋ接収SerDes ，适合处理器和内存距离较远的情况。 8. Wide-IO Wide-IO（Wide Input Output）宽带输入输出技术由三星主推，目前已经到了经到了经孌代公皬二代，収bit以宆512収bit以宆1収bit以冮収68bit接口位宽，内存接口操作频率[敏感词]可达4GHz，总的内存带宽可达34GBps，是DDR3接口带宽（XNUMXGBps）的两倍。 Wide-IO通过将Memory芯片堆叠在Logic芯片皇上杰芯片皇上杰芯片皇上杰芯片皇上来和Logic芯片及基板相连接，如下图所示。

Wide-IO具备TSV架构的垂直堆叠封装优势，有助打造兼具速度、容量与功孻嘻稡怼孻孻嘄稡怼孧嘄稡怼姘势足智慧型手机、平板电脑、掌上型游戏机等行动装置的需求，其主要目标圸要求低功耗的移动设备。 9.Foveros Intel作3D Face to Face Chip Stack pro heterogenní integraci，三维面对面异构集成芯片堆叠。 EMIB与Foveros的区别在于前者是2D封装技术，而后者则是3D堆叠封装技术＄技术＄技术＄技术＄技术＄丼莣术＄丼莣囔，Foveros更适用于小尺寸产品或对内存带宽要求更高的产品。其实EMIB和Foveros在芯片性能、功能方面的差异不大，都是将不同规格、不同功蜉的芟方的芟方的芟搯朇隄芟搯有挥不同的作用。不过在体积、功耗等方面，Foveros 2D堆叠的优势就显现了出来。Foveros每比特传输的数据的功率非常低，Foveros技术要处理的是Bump间距减奉剏、劆䯆篺减、墯篆奇堏叠技术。下图所示是 Foveros 3D封装技术示意图。

[敏感词]Foveros 3D堆叠设计的主板芯片LakeField，它集成了10nm ledové jezero处理器以及嚮崌，但体积只有几枚美分硬币大小。虽说Foveros是更为先进的22D封装技术，但它与EMIB之间并非取代关系，英特尔在后续的制造中缚将二訔结搈訔结合 10．Co-EMIB（Foveros + EMIB） Co-EMIB是EMIB和Foveros的综合体，EMIB主要是负责横向的连结，让不同内核的芯片僥拼奼丷丷拼奷丷丷拼奷丷丷拼堷Foveros则是纵向堆栈，就好像盖高楼一样，每层楼都可以有完全不同的设计，比如说一层为健身房，二层当写字楼，三层作公寓倶尚践吒封楣焒封楣焒封楣吒儌封楣琄儌技术被称作Co-EMIB，是可以具有弹性更高的芯片制造方法，可以让芯片在堆叠的同时继续横向拼接。因此，该技术可以将多个 3D Foveros劯片B有通迶EMI造更大的芯片系统。下图是Co-EMIB技术示意图。

Co-EMIB封装技术能提供堪比单片的性能，达成这个技术的关键，就是ODI吞吞是ODI 吞alekce仞朿。ODI具有两种不同型态，除了打通不同层的电梯型态连接外，也有连通不同立体结构的天桥，以及层之间的夹层的夹层，鮩不寉皫愊刻吏皫上刻同皫䄊圸的弹性。ODI封装技术可以让芯片既实现水平互连，又可以实现垂直互连。

Co-EMIB通过全新的3D + 2D封装方式，将芯片设计思维也从过去的平面拼囨堼堼堆戤除了量子计算等革命性的全新计算架构外，CO-EMIB可以说是在维持并延续现有计算架构与生态的[敏感词]作法。

11.SoIC

SoIC也称为TSMC-SoIC，是台积电提出的一项新技术——VýběrＢ集︊尰统Ｂ鯢訴訴2021弌弌弌电的SoIC技术就将进行量产。究竟什么是SoIC ？所谓SoIC是一种创新的多芯片堆栈技术，能对10纳米以下的制程进行晶圅憛级晶圥憛れ晶圆憛鲜明的特点是没有凸点（no-Bump）的键合结构，因此具有有更高的集成密度和更佳的运行性能。 SoIC包含CoW（Chip-on-wafer）璌WoW（Wafer-on-wafer：怐两篎TS）䄼梯滧能两篎TS描述来看，SoIC就一种WoW晶圆对晶圆或CoW芯片对晶圆的直接键合（Bonding）技术，属于Front-End 3D技术／咉直接键合）,耢坢咈－,耢,耐咚缉,考则属于Back-End 3D技术（BE 3D）。TSMC和Siemens EDA（Mentor）就SoIC技术进行合作，推出了相关的设计与验证工具。下图愚囆憯掃图愚囆掃推出了相关的设管与验证工具。下图愚囆囆.

具体的说，SoIC和3D IC的制程有些类似，SoIC的关键就在于实现没眉凸点的掞兆TSV的掞吆度也比传统的3D IC密度更高，直接通过极微小的TSV来实现多a要远远高于3D IC，同时其芯片间的互联也采用no-Bump的直接键合技术，芯片间距更小，集成密度更高，因而其产品传仠片间距更小功能密度。 12.X-Cube X-Cube（eXtended-Cube）是三星宣布推出的一项3D集成技术，可以在较小的孶空间中室嘚嘚崌中室嘴缩短单元之间的信号距离。 X-Cube用于需要高性能和带宽的工艺，例如5G，人工智能以及可穿戴或移动设备绥及需要高计算能娔算能娔算能娔算能娔算能娔算能娔算能娔算能娔用TSV技术将SRAM堆叠在逻辑单元顶部，可以在更小的空间中容纳更多的存储噄存储噄存储。从X-Cube技术展示图可以看到，不同于以往多个芯片2D平行封装，帚装讌诚尚帊報尰帊報尰叠封装，使得成品芯片结构更加紧凑。芯片之间采用了TSV技术连接，降低功耗的同时提高了传输的速率。该技术将会应用于最前沿的3G绍軁HPC、VR《仁HPC、AR等领域.

X-Cube技术大幅缩短了芯片间的信号传输距离，提高数据传输速度，降低功仢襀明功仢襀挎功仢西低功襀志低功仢西低功襀志低功仢西低功襀志低功襀匼功距离户需求定制内存带宽及密度。目前X-Cube技术已经可以支持7nm及及宽工艘，三继续与全球半导体公司合作，将该技术部署在新一代高性能芯片中。
总结 先进封装技术 本文中，我们讲述了12种当今最主流的先进封装技术。下表是对这是对这诅兊主流毅兛主流最主流的先进封装技术。下表是对这诅兛主流毅搛主流最主流的先进封装技术。下表是对这诅兛主流毅搛比较.

从对比中我们可以看出，先进封装的出现和快速发展主要是在近10年间，其集成技术主要包括2D、2.5D、3D、3D+2D、3D+2.5D几种类型，功能密度也有低、中、高、极高几种，应用领域包括了5G，AI，可穿戴设备，移动设备、高性能服务器、高性能计算、高性能显卡等领域，主要应用厂商包括TSMC、Intel、SAMSUNG等[敏感词]芯片厂商，这也反映出先进封装和芯片制造融合的趋势。

最后，我们总结一下：先进封装的目的就是：

提升功能密度，缩短互连长度，提升系统性能，降低整体功耗。

先进封装对EDA工具也提出了新的要求，EDA工具需要既能支持FIWLPFOWLP〡DDTSV咼蜃2.5DDTSV和胼支持多基板设计，因为一款产品中硅中介层（inteposer）和封装基板（Substrate）经常集成在一起，各大EDA公司纷纷推出了新的工具来支持先蒿诚茁先蒿诚茁先迿诚茁先迿，包括Synopsys, Cadence, Siemens EDA（Mentor）都积极参与其中。

下图所示为Siemens EDA XPD工具先进封装设计截图，该设计包含了3D TSV和2.5D TSV讌Frobumper，，BGA等元素，在EDA工具中得到了详尽和精准的体现。关于先进封装的详细设计方法可参考近期即将出版的新书的新书《基于SiP技怮的個术的峋术的叀术的参考近期即将出