先進封裝技術(shù)將成為兵家必爭之地

隨著芯片不斷向微型化發(fā)展，工藝制程開始向著更小的5nm、3nm推進，已經(jīng)越來越逼近物理極限，付出的代價也將越來越大，因此摩爾定律屢屢被傳將走到盡頭，迫切需要另辟蹊徑推動技術(shù)進步。

業(yè)界普遍認(rèn)為，先進封裝會成為下一階段半導(dǎo)體技術(shù)的重要發(fā)展方向。廈門大學(xué)特聘教授、云天半導(dǎo)體創(chuàng)始人于大全博士就曾指出，隨著摩爾定律發(fā)展趨緩，通過先進封裝技術(shù)來滿足系統(tǒng)微型化、多功能化成為了集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新引擎。 封裝技術(shù)是伴隨集成電路發(fā)明應(yīng)運而生的，主要功能是完成電源分配、信號分配、散熱和物理保護。而隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，封裝正在不斷革新，供應(yīng)鏈迎來大考。

群雄競逐先進封裝

先進封裝技術(shù)能夠相對輕松地實現(xiàn)芯片的高密度集成、體積的微型化和更低的成本等需求，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進的趨勢。

尤其是CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）、FOWLP（扇出晶圓級封裝）以及WoW等 高密度先進封裝（HDAP） ，它們在提升芯片性能方面展現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢，成功吸引了各大主流芯片封測、代工以及設(shè)計廠商的關(guān)注，開始在該領(lǐng)域持續(xù)投資布局。

例如CoWoS，這是臺積電推出的2.5D封裝技術(shù)，被稱為晶圓級封裝。CoWoS針對高端市場，連線數(shù)量和封裝尺寸都比較大。

自2012年開始量產(chǎn)CoWoS以來，臺積電就通過這種芯片間共享基板的封裝形式，把多顆芯片封裝到一起，而平面上的裸片通過Silicon Interposer互聯(lián)，這樣達到了封裝體積小，傳輸速度高，功耗低，引腳少的效果。 此外，F(xiàn)OWLP，這是一項被預(yù)言將成為下一代緊湊型、高性能電子設(shè)備基礎(chǔ)的技術(shù)。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，F(xiàn)OWLP全球總產(chǎn)值有望在2022年超過23億美金，2019-2022年間CAGR（復(fù)合年均增長率）接近20%。

據(jù)悉，第一代扇出型封裝是采用英飛凌（Infineon）的嵌入式晶圓級球閘陣列（eWLB）技術(shù)，此為2009年由飛思卡爾（Freescale，現(xiàn)為恩智浦）所推出。但是，集成扇出型封裝（InFO）在此之前就只有臺積電能夠生產(chǎn)。 臺積電的InFO技術(shù)是最引人注目的高密度扇出的例子，三星電子（Samsung Electronics）系統(tǒng)LSI事業(yè)部認(rèn)為正是此技術(shù)，導(dǎo)致臺積電搶下蘋果（Apple）A10處理器代工訂單。為此三星電機（Semco）跨足半導(dǎo)體封裝市場，與三星電子合作研發(fā)FOWLP技術(shù)，以期在新一輪客戶訂單爭奪賽中，全面迎戰(zhàn)臺積電。

Techsearch International指出，這些HDAP技術(shù)推動了行業(yè)對設(shè)備與封裝協(xié)同設(shè)計以及新流程的需求。目前代工廠開始將一部分限制產(chǎn)能用于做先進封測，傳統(tǒng)的封測廠商也在逐漸向先進封測提升。 雖然目前為止，代工廠與封測廠商還沒有完全交叉的業(yè)務(wù)，在各自的領(lǐng)域獨立為戰(zhàn)。但未來雙方一定會越來越多地向中間重合領(lǐng)域進軍，先進封裝將成為兵家必爭之地。

HDAP，想說愛你不容易

然而，想要實現(xiàn)類似的HDAP仍然存在一些挑戰(zhàn)。

資料顯示，首先，HDAP具有異構(gòu)性。即使上游EDA廠商已經(jīng)修改了傳統(tǒng)工具來處理多種新技術(shù)，這些新技術(shù)也需要物理驗證，例如設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）、版圖和線路圖對照檢查（LVS）等。在HDAP中，必須通過一個中介層或某種類型的互連技術(shù)做連接，在這種情況下，它會影響系統(tǒng)的互連特性，同時這些特性之間還會相互影響，同時影響可制造性特征的設(shè)計。

其次，新的HDAP技術(shù)要求設(shè)計團隊共同努力來優(yōu)化整個系統(tǒng)，而不僅僅是單個元件。例如芯片和封裝/中介層未對齊、元器件和基地之間的連接錯誤等問題帶來的工程成本增加；制造數(shù)據(jù)的質(zhì)量或誤差導(dǎo)致的制造延遲；以及信號和電源完整性性能不佳、2.5D裝配的熱穩(wěn)定性不合格等問題帶來的功能故障等問題。

再者，HDAP也讓設(shè)計復(fù)雜度顯著提高，需要描述從芯片到基板、從中介層到基板、基板到電路板、基板到測試板的所有互連。這在傳統(tǒng)的封裝行業(yè)來看非常難以控制，目前有許多要靠手工集成，夾雜一些零碎的檢查。

HDAP作為一個全新的方向，也開始給半導(dǎo)體的設(shè)計流程帶來影響。這些新技術(shù)能夠?qū)φw設(shè)計做分區(qū)，就像一種具有芯片外部特征的互連，這與芯片的內(nèi)部特征非常相似。先進封裝使廠商有了集成不同技術(shù)（工藝）的能力，但同時也為傳統(tǒng)的設(shè)計工具帶來了相關(guān)挑戰(zhàn)。

在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的封裝設(shè)計已經(jīng)無法滿足市場日益變化的需求，如何高效的完成設(shè)計并得到驗證，這將給EDA工具帶來全新的挑戰(zhàn)。市場迫切需要更為高效的全新流程、方法和設(shè)計工具。

Mentor的利器

Mentor是一家極為關(guān)注先進封裝技術(shù)的EDA廠商， Mentor 亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)Lincoln Lee提到，作為一家EDA廠商，其產(chǎn)品本身就貫穿設(shè)計和封裝的各個方面。

早在10多年前（2007年），Mentor就看見了封裝市場的潛在機遇，并開始為領(lǐng)先客戶設(shè)計應(yīng)對方案。他強調(diào)，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展很快，先進封裝正在逐漸成為主力，如果不能很快適應(yīng)客戶的要求，就將被拋在身后。發(fā)力先進封裝領(lǐng)域，對于Mentor與其客戶來說是雙贏。

2013年，Mentor正式推出了Xpedition Package Integrator（XPI） 高密度先進封裝（HDAP）流程，該流程是業(yè)內(nèi)率先針對當(dāng)今先進的 IC 封裝設(shè)計和驗證的綜合解決方案。

資料顯示，XPI產(chǎn)品已經(jīng)具有高集成度，但基于整個設(shè)計過程中的分工需要， Mentor將XPI的兩個功能拆分為Xpedition Substrate Integrator工具和 Xpedition Package Designer技術(shù)。獨特的Xpedition Substrate Integrator（xSI）工具可快速實現(xiàn)異構(gòu)基底封裝組件的定義和優(yōu)化。針對物理封裝實施的新型 Xpedition Package Designer（xPD）技術(shù)可確保設(shè)計Signoff與驗證的數(shù)據(jù)同步。Calibre 3D Stack技術(shù)可針對各種2.5D和3D疊層芯片組件進行完整的Signoff DRC/LVS驗證。

在不斷優(yōu)化的過程中，Xpedition可以多人協(xié)同工作，無需拆分，避免多次合并，從而實現(xiàn)最大限度地提高團隊工作效率。目前，Mentor正在全力解決多晶片封裝的功耗、散熱、性能問題。Lincoln解釋道，大家都希望將更多功能“塞”到同一顆芯片里，但這么多高效能的芯片放在一起，將產(chǎn)生極高的熱密度。因此，熱分析是非常關(guān)鍵的步驟。

目前做芯片的公司數(shù)量正在不斷減少，很大程度上是由于先進工藝行列所需要的成本十分昂貴，因此先進的設(shè)計工具就顯得尤為重要。Lincoln提到，Mentor的優(yōu)勢在于擁有非常全面的工序，全新的解決方案能夠為IC設(shè)計廠商提供便利，可以在一定程度上滿足其需求。

Mentor與中國

現(xiàn)在，中國大陸市場中已經(jīng)有不少廠商開始關(guān)注先進封裝，尤其是封測企業(yè)。近幾年，海外并購讓中國封測企業(yè)快速獲得了技術(shù)、市場，彌補了一些結(jié)構(gòu)性的缺陷，極大地推動了中國封測產(chǎn)業(yè)的向上發(fā)展。

中國半導(dǎo)體協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，大陸封測市場規(guī)模從2012年的1034億元增長至2018年的2196億元。在2019年封測市場，中國大陸占比達到28%，僅次于中國臺灣。

Lincoln指出，早在1989年，Mentor就已經(jīng)進入中國大陸。盡管當(dāng)時市場主要以PCB板級設(shè)計為主，中國大陸本土的IC產(chǎn)業(yè)仍在襁褓之中，整個市場的體量也沒有現(xiàn)在這么龐大，但Mentor絲毫沒有輕視中國市場和其未來的發(fā)展?jié)摿Α?此外，Mentor還跟地方政府、孵化平臺、高校和研究所合作，降低創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的成本，積極地扶持未來的明星企業(yè)。

這些年來，Mentor見證了中國本土IC產(chǎn)業(yè)不斷強大，尤其是封測領(lǐng)域。Lincoln表示，近年中國本土先進封測廠商通過自主研發(fā)和兼并收購，已基本形成先進封裝的產(chǎn)業(yè)化能力，但從先進封裝營收占總營收的比例和高密度集成等先進封裝技術(shù)發(fā)展上來說，中國總體先進封裝技術(shù)水平與國際領(lǐng)先水平還有一定的差距。

在此基礎(chǔ)上，Mentor正在不斷支持中國廠商在先進封裝領(lǐng)域的發(fā)展，助力中國廠商在性能以及功耗等方面提升。同時，Lincoln也提到，在同等級的芯片中，使用Mentor HDAP設(shè)計環(huán)境的產(chǎn)品，異構(gòu)集成能助力其效能更優(yōu)化。

總結(jié)

在2020年，圍繞先進封裝的戰(zhàn)火繼續(xù)升級，先進芯片制造商正在不斷加碼，探索更廣闊的芯片創(chuàng)新空間。 盡管這些技術(shù)方法的核心細節(jié)有所不同，但大家各展謀略，都是為了持續(xù)提升芯片密度、實現(xiàn)更為復(fù)雜和靈活的系統(tǒng)級芯片，以滿足客戶日益豐富的應(yīng)用需求。

這種情況下，隨著制程工藝逼近極限，成本無限提升，Mentor憑借在此領(lǐng)域豐富的經(jīng)驗，其作用將越來越大，更加不可或缺。
責(zé)任編輯：tzh