近日，台积电宣布2022年预计资本支出将超过400亿美元，其中10%将用于先进封装。作为台积电的主要竞争对手，三星也放出狠话要与台积电在先进封装领域展开竞争。去年底英特尔在马来西亚投资70亿美元扩大先进封装产能，将先进封装技术视为其重振旗鼓的关键。

Yole数据显示，到2025年先进封装市场营收就将突破420亿美元，这几乎是传统封装市场预期增长率的三倍。进入后摩尔时代，先进封装愈发成为市场关注的焦点。传统封装厂商收到的压力也越来越大，封装市场竞争格局似乎要发生翻天覆地的变化。

什么是先进封装

一些工具供应商将所有倒装芯片封装称为“先进封装”。SemiAnalysis 和大多数业内下游人士不会这么说。因此，我们将所有凸点尺寸小于 100 微米的封装称为“先进”。

最常见的先进封装类别称为扇出。有些人会争辩说它甚至不是先进的封装，但那些人大错特错。以Apple 为例，他们将让台积电采用应用处理器芯片，并将其与 90 微米到 60 微米数量级的更密集凸块封装到重组或载体晶圆/面板上。与传统倒装芯片封装相比，凸点密度大约高出 8 倍。

这种重组或载体晶圆/面板然后进一步展开 IO，因此得名扇出。然后将扇出封装连接到主板。硅芯片的设计可以减少对pad受限的担忧，因为扇出处的pad较小。该封装还可以封装 DRAM 内存、NAND 存储和 PMIC。集成扇出不仅有利于密度，而且它们还在封装上保留了大量的芯片间 IO。否则，该 IO 将不得不以更大的IO 间距尺寸通过主板进行接口。

集成扇出对于高性能应用程序变得越来越普遍，不仅仅是移动应用程序。增长最快的用例是在十多年来设计一直受到限制的事物的网络方面。AMD 将在其服务器 CPU 和 GPU中非常积极地采用扇出。Tesla Dojo 1是集成扇出封装的另一个引人注目的例子，但在晶圆级。SemiAnalysis透露，特斯拉将在发布公告前使用这种包装类型。

在先进封装中，有 2.5D 和 3D 封装。2.5D 涉及封装在其他硅片上的硅片，但较低的硅片专用于布线，没有有源晶体管。这通常以55 微米到 50 微米的间距完成，因此凸点密度高出约 16 倍。最常见和最高容量的用例是具有 TSMC CoWoS（基板上晶圆上芯片）的 Nvidia 数据中心 GPU。台积电将有源芯片封装在只有互连和微凸点的晶圆上。然后使用传统方法将这叠芯片封装到基板上。

其他示例基本上包括每个带有 HBM 的处理器。HBM 是作为一种阶梯函数增加内存带宽的方法而建立的，这种方法高于传统形式的 DRAM。它通过使用更宽的内存总线来实现这一点。这些宽总线会产生与 IO 计数相关的问题，但 HBM 是从头开始设计的，以便在同一包内共存。这颠覆了 IO 问题，同时也允许更紧密的集成。

2.5D 的更多示例包括基于Intel EMIB 的产品、Xilinx FPGA、AMD 最新的数据中心 GPU 和Amazon Graviton 3。

3D 封装是将一个有源芯片封装在另一个有源芯片之上。这最初由英特尔以 55 微米间距的逻辑硅一起发货，但批量用例将在 36 微米及以下。台积电和 AMD 将推出 17 微米间距的 3D堆叠 V-cache。该技术从凸块过渡到硅通孔 (TSV)，并且具有更大的扩展空间。

其他应用，例如索尼制造的 CMOS 图像传感器，其间距已经达到 6.3 微米。为了保持比较，36 微米间距的凸点密度高出 31 倍，17 微米间距实施的铜TSV 的 IO 密度将提高 138 倍，而索尼的6.3微米间距的CMOS图像传感器的IO密度比标准翻转芯片高567倍。

这只是对主要封装类型的基本解释，但我们将深入研究本系列中的不同类型的封装。对未来的封装类型、工具以及工具供应商有很多不同的赌注。设备和 IP 方面比人们乍一看想象的要兴奋得多，但在我们深入研究之前，需要先解释基础知识。

对于即将到来的创新海洋，有很多可投资的想法和角度。摩尔定律的放缓正在推动根本性的变化。我们正处于先进封装推动的半导体设计复兴之中。

先进封装“三国杀”

拥有得天独厚优势的晶圆厂商们也“嗅”到了先进封装市场的红利，纷纷开始大力布局先进封装领域。以台积电、三星、英特尔为代表的晶圆厂商们，都在不断加大在先进封装领域的投资力度，频频推出在先进封装领域的创新技术。

2015年台积电凭借InFO封装技术独揽了苹果的大单。在接下来的几年中，台积电也在先进封装领域不断发力，接连推出了CoWoS、SOIC 3D等技术，完善其在先进封装领域的布局。为了进一步扩大其在先进封装上影响，2020年台积电将其旗下SoIC、InFO及CoWoS 等3D IC技术平台进行了整合，并命名为3D Fabric。据台积电介绍，在产品设计方面，3D Fabric提供了最大的弹性，整合逻辑Chiplet、高带宽内存(HBM)、特殊制程芯片，可全方位实现各种创新产品设计。

三星作为台积电在晶圆代工领域的劲敌，在先进封装方面的布局也毫不示弱，甚至放出狠话要在2022年与台积电在芯片先进封装领域展开竞争。三星和台积电的竞争，已经一路从制程扩展到了先进封装领域。尽管起步较晚，但三星近年来一直坚持不懈地更新异质封装技术。

2018年三星推出首款I-Cube2方案，在先进封装领域站稳脚跟，随后在2020年推出了X-Cube方案的3D堆叠设计。2021年11月，三星宣布已与AmkorTechnology联合开发出混合基板立方体（H-Cube）技术，这是其最新的2.5D封装解决方案，大大降低了高性能计算等市场的准入门槛，使得三星在先进封装领域名声大震。

英特尔近年来在先进工艺的研发方面频频遭遇“难产”。这也使得英特尔在先进制程方面与台积电、三星逐渐拉开差距。因此，英特尔愈发看重先进封装的研发，并开始不断发力先进封装技术。

2021年7月，英特尔公布了有史以来最详细的制程工艺和封装技术发展路线，并表示将在芯片制程工艺以及先进封装方面共同发力，在2025年之前重返产业巅峰。2021年12月17日，英特尔表示投资70亿美元，以扩大其在马来西亚槟城的先进半导体封装工厂的生产能力。英特尔已经将先进封装技术视为其重振旗鼓的关键。

先进封装改道芯片业大有可为

超越摩尔定律在后摩尔时代迎来了高潮。以摩尔定律为指导的“国际半导体技术路线图”，在IEEE重启计算倡议的协同下，更换为“国际器件与系统路线图”）。同时，人工智能（异构、类脑芯片）、5G（GaN器件）、IoT（传感器）等应用的发展，大大推动了“拓展摩尔”在后摩尔时代的主角作用。

超越摩尔领域：异构集成的先进封装技术有效降低设计难度、时间及成本。超越摩尔定律技术发展的基本点，一是发展不依赖于特征尺寸不断微缩的特色工艺，以此扩展集成电路芯片功能，二是将不同功能的芯片和元件组装在一起封装，实现异构集成。其创新点在于推出各种先进封装技术，这种异构集成的封装方法具有降低芯片设计难度、制造便捷快速和降低成本等优势。这一发展方向可以使芯片发展从一味追求既要芯片功能完善又要降低功耗中“解放“出来，转向更加务实的，而又更满足于系统设计应用市场的需求。

系统级封装（SiP）代表半导体业的发展方向之一，有研发周期短、节省空间等优势。SoC和SiP两者目标都是在同一产品中实现多种系统功能的高度整合，其中SoC从设计和制造工艺的角度，借助传统摩尔定律驱动下的半导体芯片制程工艺，将一个系统所需功能组件整合到一块芯片，而SiP则从封装和组装的角度，借助后段先进封装和高精度SMT工艺，将不同集成电路工艺制造的若干裸芯片和微型无源器件集成到同一个小型基板，并形成具有系统功能的高性能微型组件。相比SoC，SiP系统集成度高，但研发周期反而短。SiP技术能减少芯片的重复封装，降低布局与排线难度，缩短研发周期。同时采用芯片堆叠的3DSiP封装，能降低PCB板的使用量，节省内部空间。SiP从终端电子产品角度出发，不再一味关注芯片本身的性能、功耗，而去实现整个终端电子产品的轻薄短小、多功能、低功耗等特性；在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后，SiP的重要性日益显现。因此未来终端电子产品的发展方向在以下三个方面：即小型化、提高电子终端产品的功能以及缩短产品推向市场的周期。

Chiplet（小芯片/芯片粒/裸芯片）模式带来产业链环节颠覆式改变，作为IC业继续发展的有效手段，有设计弹性、成本节省、加速上市三大优势。传统系统单晶片的做法是，将每一个元件放在单一裸晶上，造成功能愈多，硅芯片尺寸愈大。Chiplet的做法是将大尺寸的多核心设计分散到个别微小裸芯片，例如处理器、类比元件、储存器等，再用立体堆迭的方式，以先进封装技术提供的高密度互联将多颗Chiplet包在同一个封装体内，做成一颗芯片。Chiplet将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的小芯片，更能满足现今高效能运算处理器的需求；而弹性的设计方式不仅提升灵活性，也能有更好的良率及节省成本优势，并减少芯片设计时程，加速芯片Time to market（上市）的时间。

“装置（Device）之道”在于“又好又便宜，先进封装Chiplet解决了当前芯片技术发展的难题，大型最先进工艺的芯片，或者对性能、功耗和尺寸有超高要求，而价值比较高的芯片，适合做Chiplet的设计。过去，单片集成讲的是PPA（性能、功耗、面积），强调的是面积，而电子系统的基本要求是使用最经济的资源，实现最理想的功能。这包括内架构与外环境的优化、高性能与低功耗的兼顾、小体积与长寿命的融合。而无休止地追求单片集成，尤其在摩尔定律日薄西山的后摩尔时代，工艺节点的进一步缩小，并不能带来集成元件成本和集成芯片性能翻番的好处。另外，如果产品线复杂，每一个产品的量不够大，Chiplet的重用性可以满足市场对高性能、多样化芯片的巨大需求。

传统封装厂并未被替代

不得不承认，众多非传统OSAT厂商纷纷入局先进封装产业，给了传统OSAT厂商不小的竞争压力。

与其他科技领域相比，OSAT领域利润率相对较低，竞争也比较激烈，而随着晶圆厂商纷纷入局先进封装领域后，竞争也在不断加剧。

长电科技首席技术长李春兴认为，OSAT厂商与晶圆厂在封装技术上会有重叠，这使得OSAT的业务在投资支出和投资回报率方面有更多不确定性，另外在购置自动化专用的制造基础设施时也可能会出现竞争。

然而，在先进封装领域，传统的OSAT厂商真的要被晶圆厂商“拍死在沙滩上”了吗？实则不然。

赵超表示，尽管晶圆级封装技术十分火爆，但并不意味着传统的封装工艺就要被淘汰，在芯片生产的过程中，无论如何最后都需要对芯片进行后道的传统的封装，而OSAT厂商在后道传统封装工艺上的经验积累，也是难以被轻易替代的，二者各有各的优势。

据了解，先进制程的应用也是台积电等晶圆大厂与OSAT 之间最主要的分水岭，台积电等晶圆大厂更锁定金字塔顶端芯片厂的高端产品，而其他非最先进的产品封测业务则会选择 AMKOR、长电、日月光等 OSAT厂商。

以AiP为例，AiP封装技术是将天线集成到芯片中，其优点在于可以简化系统设计，有利于小型化、低成本。在此方面晶圆代工大厂虽有研究，但成本管控上不及头部OSAT企业，在议价上操作空间也比较小，因此OSAT厂商扔掌握着多数 AiP 订单。

另外，晶圆代工厂在先进封装方面的布局与OSAT的营运模式、生意模式都不同，客户群、产品应用也有区分。此外，OSAT厂商还具备产品多元、成本低、上市速度快的优势，技术储备丰富的头部OSAT厂商也可以此和前道代工企业构成差异化竞争，且不惧怕被替代风险。

可见，在先进封装方面，晶圆代工厂和传统OSAT厂商各具优势，并不意味着OSAT厂商要被替代。

催生新的合作模式

因此，赵超认为，OSAT与晶圆厂之间的关系也催生出了一个新的合作模式——晶圆厂商与OSAT厂商携手共同开展先进封装技术的研发。

据了解，中芯国际与OAST厂商长电科技的携手便是一个典型的案例，两家分别都是国内在晶圆代工以及封测方面最具代表性的企业，二者的携手大大促进了国内先进封装技术的研发。

三星近期推出的2.5D封装解决方案“H-Cube”，也是三星与OSAT厂商安靠合作开发。技术公司全球研究开发中心（R&D）副社长Jin-Young Kim表示，此次的成功合作研发，证明了代工厂与OSAT厂商成为合作伙伴的重要性。

在先进封装领域，晶圆厂商与OSAT厂商之间并非仅仅是竞争关系的存在，实则二者可以相互合作，形成互补关系，共同打造先进封装领域的美好未来。

文章来源：中国电子报，钻石研报，芯片失效分析