中國芯片機會：突破封裝技術，打通芯片生產最后一公里
芯片封裝（圖片來源：Unsplash）
先進封裝技術有望主導集成電路封測市場。
6月21日消息，本月舉行的2021世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會上，中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明表示，后摩爾時代中國必須在芯片封裝技術方面尋求突破，尤其通過異構集成電路（Heterogeneous integration Circuits）路徑，以趕上全球行業領先者。
吳漢明指出，隨著摩爾定律可能達到其物理極限的后摩爾時代下，截止今年，芯片性能的年增長率已從2002年的57%高點降至3%，發展速度慢下來了，創新空間和追趕機會大，這意味著封裝技術突破會給中國芯片產業更多的追趕機會。
具體來說，在2021世界半導體大會上，中國科學院院士、上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發指出，“異構（原話是異質，但行業統一為異構）集成電路”是中國芯片封裝產業可以保持行業領先地位的一個重要方法。
所謂異構集成電路，就是在同一個3D系統級封裝(SiP)中，將不同工藝制造的硅和非硅器件集成到一個更高級別的系統。
毛軍發則表示，“異構集成電路是后摩爾定律時代芯片產業的新方向.......對中國來說，這也是一個轉折點，也是一個機遇。”
異構集成電路路徑（來源：2021世界半導體大會）
吳漢明則在演講中表示，“既然先進工藝很難走，用戶包括設計公司最關心的應該是系統性能。通過異構集成，國內開始有公司用40nm的工藝的芯片性能可以和與16nm相媲美，通過比較成熟的工藝做出比較先進的系統，我覺得這代表未來的技術延伸、技術發展方向。”
與兩位院士觀點較為相似的還有英特爾。近日接受鈦媒體App等采訪時，英特爾組件研究集團封裝系統研究總監約翰娜·斯旺(Johanna Swan)表示，異構集成電路是封裝技術的未來趨勢。
芯片生產最后一公里的核心步驟
芯片是在半導體材料上構建的一個復雜的電路系統。因此，制造芯片是人類歷史上最為復雜的制造工藝。
一般來說，集成電路分成五大版塊——設計、制造、封測（封裝測試）、材料和裝備。
芯片封測位于產業鏈下游，是指通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程，是半導體生產的最后一公里。清華大學集成電路學院教授魏少軍曾將“芯片封測”比喻成書本印刷的裝訂步驟，其具有重要作用。
（來源：中科院發布的清華大學魏少軍演講視頻截圖）
芯片封測包括封裝和測試。其中，芯片封裝環節為安裝半導體集成電路芯片用的外殼，是溝通芯片內部世界與外部電路的橋梁，為芯片的電信號和電源提供了一個著陸區，起到安放、固定、密封、保護芯片和增強電熱性能的作用。如果你拆開設備終端內部芯片、閃存部分，就會看到表面上的黑色硬殼，這就是芯片封裝后的成果。
芯片封裝在電子供應鏈中看似不起眼，卻一直在發揮關鍵作用。作為芯片生產最后一公里的核心步驟，如果沒有封裝環節，就無法保證可用性，芯片也就難以出貨銷售。
隨著半導體在不斷地在做小，尺寸已經縮小到了納米量級，傳統的熱壓、焊接封裝芯片的技術方法已滿足不了需求。在消費類電子產品輕、小、短、薄化的市場發展趨勢下，輸出入腳數大幅增加，使得3D封裝、扇形封裝(FO WLP/PLP)、微間距焊線技術，以及系統封裝(SiP) 等技術的發展成為延續摩爾定律的最佳選擇之一，半導體封測行業也在由傳統封測向先進封測技術過渡。
例如，通過名為SiP（System In a Package、系統級封裝）的封裝工藝，蘋果的AirPods Pro可以將核心系統的體積大幅縮小，搭載各種復雜的傳感器和芯片，降低功耗；另外，蘋果最新發布的AirTag藍牙防丟器，通過先進封裝工藝，將蘋果U1 UWB（超寬帶）收發器等數十個傳感器和芯片塞進硬幣大小里面，與CR2032紐扣電池結合，實現超過一年的續航表現。AirTag成為了蘋果史上最為創新的產品之一。
蘋果AirTag的芯片封裝成果（來源：IFixit）
這說明，封裝不僅僅是制造過程的最后一步，它正在成為產品創新的催化劑。
進入摩爾定律新時代，英特爾加快布局先進異構集成封裝
1965年，英特爾（Intel）創始人戈登·摩爾提出了大名鼎鼎的“摩爾定律”。他通過觀察，預測到集成電路的集成度大概每過一年翻一番，后來又修改為每過18-24個月翻一番。
摩爾定律還指出，每代工藝與上一代相比，在面積不變的情況下，晶體管的數量翻一番；或者在晶體管數量不變的情況下，面積可以縮小到原來的二分之一；它的速度提升40%，功耗下降50%。我們稱之為PPA，即Performance，Power，Area。
但隨著時代的進步，算力需求不斷增加，以及技術的不斷提升，摩爾定律正面臨包括物理極限、技術手段、經濟成本這三大挑戰。毛軍發認為，芯片現在有兩條主要發展路線：一是延續摩爾定律；二是繞道摩爾定律。
在斯旺看來，摩爾定律如今已經進入到了新時代，英特爾將以跨晶體管、封裝和芯片設計的協同優化進步，利用先進多芯片封裝（MCP）架構、先進異構集成封裝以及全新全方位互連技術（ODI）三個技術路徑，坐穩后摩爾時代芯片龍頭的優勢地位。
英特爾封裝技術路線圖（來源：intel）
在先進多芯片封裝（MCP）部分，英特爾提出EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）2D封裝和Foveros 3D堆棧封裝技術，利用MDIO（英特爾自研的全新裸片間接口技術）和AIB（高級接口總線），高密度的互連實現高帶寬、低功耗，并實現相當有競爭力的I/O密度。而且，英特爾提出Co-EMIB，讓2D封裝和Foveros 3D封裝技術結合在一起，將更高的計算性能和能力連接起來，基本達到單晶片性能。
在先進異構集成封裝部分，英特爾自研了Hybrid Bonding（混合結合）封裝技術，通過電氣連接獲得更高的載流能力，加速實現10微米及以下的凸點間距，通過單獨IP的異構集成帶來更大量的更小區塊，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。現階段這一技術可以應用于圖像傳感器和非易失性存儲器芯片等。
不過，混合結合封裝技術的商業應用還局限于晶圓與晶圓之間的結合，并且只能在低能耗的系統中。斯旺提到，未來英特爾會將該技術擴展到晶片與晶圓的應用中，以支持芯粒（Chiplet）的靈活異構集成和未來更高能耗的系統。
在全新全方位互連技術（ODI）部分，通過更小的硅通孔（TSV）晶片面積、直接供電、高帶寬互連等手段，為封裝中小芯片之間的全方位互連通信提供了更大的靈活性，并減少了基底晶片中所需的硅通孔數量，為有源晶體管釋放了更多的面積，并優化了裸片的尺寸。斯旺稱，這是封裝技術的一個新維度。
早在2018年，英特爾就制定了一項封裝愿景（計劃）：開發和擁有一種技術，能夠在一個封裝內連接芯片（Chip）和芯粒（Chiplet），希望在不犧牲速度的情況下使小型設備協同工作，以使其與單晶片系統級芯片（SoC）的性能，能效和成本相匹配，以低功耗實現高帶寬。而這一計劃，如今正通過研發上述多個技術穩步推進中，英特爾希望在后摩爾時代中持續保持領先地位。
斯旺強調，隨著制造、封裝、測試的逐步融合趨勢，上述技術共同為英特爾提供了向上和向外擴展異構計算元素的架構功能，實現算力的指數級提升。
后摩爾時代，芯片封裝技術需要突破
不止是英特爾，半導體行業人士均認為，異構集成電路這一先進封裝技術路徑是后摩爾時代新的突破方向。
在2021世界半導體大會上，全球領先的集成電路制造和技術服務提供商“長電科技”首席執行長鄭力在演講中指出，利用異構集成電路這一技術路徑，先進封裝可以將集成電路組合成一個功能強大的半導體芯片，將有助于拓展摩爾定律。
“不光是AMD，臺積電也好，英特爾也好，國際頭部企業都在積極布局異構集成，在半導體后道技術上發力實現一個是集成的問題，一個是高密度互連的問題，確實在業界后摩爾定律時代，大家用不同途徑繼續提升芯片集成度。”鄭力表示，先進封裝逐漸成為集成電路芯片成品制造產業的關鍵工藝技術之一。
事實上，中國芯片封裝業是整個半導體產業中發展最早的，也是處于領先地位。根據中國半導體行業協會數據，2004年至今，中國半導體封測行業一直保持高速發展，年復合增長率為15.8%。而2015年并購新加坡星科金朋的江蘇長電科技，規模已經躋身世界第三。
不過，當前中國封裝企業大多以傳統封裝技術為主，先進封裝技術水平與國際領先水平仍有一定差距。盡管中國封測四強（長電、通富、華天、晶方）通過自主研發和兼并收購，快速積累先進封裝技術，但根據公開數據顯示，2018年中國先進封裝營收占中國集成電路封測總營收的25%，遠低于全球41%的比例。
盡管如此，中國作為全球最大集成電路市場的地位不能被忽視。在2021世界半導體大會上，工業和信息化部電子信息司司長喬躍山表示，2020年中國集成電路產業規模達到8848億元，“十三五”期間年均增速近20%，為全球同期增速的4倍。同時，中國集成電路產業在技術創新與市場化上取得了顯著突破，設計工具、制造工藝、封裝技術、核心設備、關鍵材料等方面都有顯著提升。
毛軍發認為，中國要打破集成電路傳統“路”的思路，我們向場的演變，場的結合，進行多學科交叉，包括電子科學與技術、物理學特別是人工智能對電路的設計，需要力學、化學、材料等等多學科交叉開展研究。
針對中國如何提升先進封裝技術，斯旺對鈦媒體App表示：“總的來說，要認識到封裝是一個差異化（優勢）區分因素。關鍵是客戶。我們真的在努力服務并提供獨特的解決方案（給客戶），這也推動了我們關注的技術。 所以我認為機會在于，隨著我們繼續為客戶提供服務，他們的產品需求在不斷進化，這才是真正推動封裝需要轉變的原因。 我想回答這個問題的一種方法是技術會到來，這些技術進步會隨著我們的客戶希望的差異化需求而出現。”
（本文首發鈦媒體App，作者｜林志佳）?
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