4.先进封装持续大规模扩产,设备材料壁垒高国产供应商进展需要观察
A催化先进封装需求,国产替代刻不容缓。(1)Cowos :Al需求带动Cowos 封装产能吃紧,台积电的封装产能CoWos (Chip-on-Nafer -on-Substrate ,将芯片堆叠后封装于基板上)被苹果、英伟达争抢。根据UDN新闻报道,台积电积极扩充CoWos 先进封装产能,计划明年月产3.5万片晶圆,比原定翻倍目标再增加20%。Al服务器HBM需求快速提升,进一步强化先进封装需求。以HBM为主要代表的存算一体芯片能够通过2.5D/3D堆叠,将多个存储芯片与处理器芯片封装在一起,克服单一封装内带宽的限制、增加带宽、扩展内存容量、并减少数据存储的延迟。根据公众号全球SSD,三星2021年2月与AMD合作开发HBM-PIM,将内存和A处理器合而为一,在CPU和GPU安装HBM-PIM,显著提高服务器运算速度。(2)chiplet :对于国产A算力需求而言,受到美国贸易限制,以chiplet 为代表的异构集成封装有望成为国产高算力芯片的替代选项,更加凸显先进封装的重要性。
表2:主流的先进封装技术及其特点
封装形式主要特点FOWLP Fan-0ut(扇出式)WLP晶圆级封装,封装后的芯片尺寸和裸芯片几乎一致:在芯片面积范围外充分利用RDL做连接,以获取比Fan-in(扇入式)WLP更多的引脚数。INFO 是在: FOWLP 工艺上的集成,可以理解为多个芯片Fan-0ut工艺的集成:InF0给予了多个芯片集成的空间,可基于XY平面延伸的先进应用于射频和无线芯片的封装,处理器和基带芯片封装,图形处理器和网络芯片的封装。封装技术Fanout PaneI Level Package )面板级封装,采用了更大的面板,因此一次的制程下,就可以量产出4倍于FOPLP 300mm硅晶圆的先进封装产品:相对FOWLP ,FOPLP 具有更大的成本优势。EMIB 属于有基板类封装: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点。CoNos 2.5D封装技术,Collos 是把芯片封装到硅转接板(中介层)上,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:相比于InF0.CooS针对高端市场,连线数量和封装尺寸都比较大。HEM HBM(High-Bandwidth Memory )高带宽内存,主要针对高端显卡市场。HBM使用了3DTSV和2.5DTSV技术,通过3DTSV把多块内存芯片堆叠在一起,并使用2.5DTSV技术把堆叠内存芯片和GPU在载板上实现互连。高端服务器市场,尤其是针对多处理器架构。
HMC使用堆叠的DRAM芯片实现更大的内存带宽。另外HMC通过HMC 3DTSV集成技术把内存控制器(Memory Controller )集成到DRAM堆叠封装里。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2.5DTSVWide-Io 通过将Momory 芯片堆叠在Logic 芯片上来实现,Memory 芯片通过3DTSV和Logic 芯片及基板相连接。基于Z轴延伸的先进封Foveros 被称作三维面对面异构集成芯片堆叠:与2D的EMIB封装方式相比,Foveros 更适用于小尺寸产品或装技术Foveros 对内存带宽要求更高的产品,也更具体积、功耗等优势:Foveros 每比特传输的数据的功率非常低,Foveros 技术要处理的是Bump间距减小、密度增大以及芯片堆叠技术。CorEMIB EMIB和Foveros 的综合体,EMIB主要是负责横向的连结,让不同内核的芯片像拼图一样拼接起来,而Foveros 则是纵向堆栈:CO-EMIB可以说是在维持并延续现有计算架构与生态的最佳作法。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品圆级的集成。该技术最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。X-Cube3D封装的芯片之间采用了TSV技术连接,降低功耗的同时提高了传输的速率:大幅缩短了芯片间的X Cube 信号传输距离,提高数据传输速度,降低功耗,并且还可以按客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5nm工艺。
先进封装新需求旺盛,半导体封装厂及产业链上公司纷纷加码布局。封测环节,如通富微电在2023年Chiplet 等先进封装技术、ChatGPT 等AI新应用的背景下,积极布局了Chiplet 、2.5D/3D等顶尖封装技术,可为客户提供多样化的Chiplet 封装解决方案,并已量产。设备、零部件、材料公司也在积极抢抓先进封装的发展机遇,如华海清科的新一代12英寸超精密晶圆减薄机已出货,可稳定实现12英寸晶圆片内磨削总厚度变化小于1um。