轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體封裝工程師之家

在以人工智能、高性能計算為代表的新需求驅(qū)動下，先進(jìn)封裝應(yīng)運而生，發(fā)展趨勢是小型化、高集成度，歷經(jīng)直插型封裝、表面貼裝、面積陣列封裝、2.5D/3D封裝和異構(gòu)集成四個發(fā)展階段。

典型封裝技術(shù)包括：1）倒片封裝（Flip-Chip）：芯片倒置，舍棄金屬引線，利用凸塊連接；2）扇入型/扇出型封裝（Fan-In/Fan-Out）：在晶圓上進(jìn)行整體封裝，成本更低，關(guān)鍵工藝為重新布線(RDL)；3）2.5D/3D封裝：2.5D封裝中芯片位于硅中介層上，3D封裝舍棄中介層，進(jìn)行多芯片堆疊，在基板上方有穿過芯片的硅通孔（TSV）；4）SiP封裝：將多個子芯片異構(gòu)集成，縮短開發(fā)時間、提高良率；5）Chiplet：多顆具有單一特定功能的小芯粒異構(gòu)組裝，具備成本優(yōu)勢。

全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模有望從2022年378億美元上升至2026年482億美元，CAGR約為6.26%。其中，3D堆疊CAGR高達(dá)18%，市場規(guī)模有望在2026年上升至73.67億美元。先進(jìn)封裝頭部六位玩家市場份額超70%，技術(shù)路線由臺積電、英特爾、三星等海外領(lǐng)先Foundry和IDM廠主導(dǎo)。

1. 封裝行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 先進(jìn)封裝屬于中道工藝，涉及部分前道工藝與設(shè)備

半導(dǎo)體工藝流程包括前道晶圓制造工序和后道封裝測試工序。前道工序是晶圓制造工序。在前道工序中，晶圓經(jīng)歷了氧化、涂膠、光刻、刻蝕、離子注入、物理/化學(xué)氣相沉積、拋光、晶圓檢測、清洗等一系列步驟，每一步都需要相應(yīng)的半導(dǎo)體制造設(shè)備。后道工序是封裝測試工序。在后道工序中，尚未切割的晶圓片進(jìn)入IC封測環(huán)節(jié)，經(jīng)歷磨片/背面減薄、切割、貼片、銀漿固化、引線焊接、塑封、切筋成型、FT 測試，每一環(huán)節(jié)同樣需要相應(yīng)的半導(dǎo)體封裝設(shè)備與半導(dǎo)體測試設(shè)備。最終得到芯片成品。

傳統(tǒng)封裝已不能滿足以人工智能、高性能計算為代表的新需求，先進(jìn)封裝技術(shù)應(yīng)運而生，形成獨特的中道工藝。先進(jìn)封裝也稱為高密度封裝，具有引腳數(shù)量較多、芯片系統(tǒng)較小和高集成化的特點。先進(jìn)封裝屬于中道工序，包括清洗、濺射、涂膠、曝光、顯影、電鍍、去膠、刻蝕、涂覆助焊、回爐焊接、清洗、檢測等一系列步驟。與傳統(tǒng)的后道封裝測試工藝不同，先進(jìn)封裝的關(guān)鍵工藝需要在前道平臺上完成，是前道工序的延伸。

1.2 后摩爾時代，先進(jìn)封裝打破“存儲墻”與“面積墻” 

集成電路沿著兩條技術(shù)路線發(fā)展，分別是More Moore和More-than-Moore。More Moore代表持續(xù)追隨摩爾定律，致力于推動先進(jìn)制程的發(fā)展。這一路線的關(guān)鍵策略是通過不斷微縮互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）器件的晶體管柵極尺寸，以增加芯片晶體管數(shù)量，從而提升芯片性能。目前，量產(chǎn)芯片的工藝制程已發(fā)展至3 nm節(jié)點。全球范圍內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)，如臺積電、英特爾和三星，具備10納米及以下節(jié)點的制造能力。與More Moore相對應(yīng)的是More-than-Moore，這一趨勢旨在超越摩爾定律，將發(fā)展方向引向多樣化。More-than-Moore采用先進(jìn)封裝技術(shù)，在一個系統(tǒng)內(nèi)集成處理、模擬/射頻、光電、能源、傳感、生物等多種功能，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的全面提升。相對于傳統(tǒng)封裝方式，先進(jìn)封裝具有小型化、輕薄化、高密度、低功耗和功能融合等諸多優(yōu)勢，能夠提升性能、拓展功能、優(yōu)化形態(tài)、降低成本。

推進(jìn)摩爾定律成本高昂，先進(jìn)封裝能夠在不縮小制程節(jié)點的背景下，僅通過改進(jìn)封裝方式就能提升芯片性能。摩爾定律是指集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，器件性能也將提升一倍。近年來，摩爾定律的尺寸微縮趨勢放緩，先進(jìn)制程已經(jīng)逼近物理極限，通過邁向更先進(jìn)的制程提升芯片性能的成本呈指數(shù)級增長。如下圖所示，相比于采用45nm節(jié)點制造的250平方毫米芯片，采用16nm工藝節(jié)點后，每平方毫米的成本增加了1倍以上；而采用5nm工藝后，成本將增加4~5倍。與此同時，先進(jìn)封裝仍處于相對高成本效益的階段。根據(jù)Semi，晶圓制造的設(shè)備投資占比超過80%，而封裝測試的設(shè)備投資占比不到20%。盡管先進(jìn)封裝同樣需要使用光刻、刻蝕、沉積等設(shè)備，但相較于晶圓制造，先進(jìn)封裝所需的設(shè)備的精度要求低，其設(shè)備價值也相對較低。此外，先進(jìn)封裝技術(shù)目前正處于快速發(fā)展階段，未來有較高的改進(jìn)和降本空間。

“存儲墻”制約算力性能發(fā)揮，先進(jìn)封裝實現(xiàn)近存計算和高帶寬內(nèi)存堆疊，提高傳輸效率。處理器的峰值算力每兩年增長約3.1倍，而動態(tài)存儲器的帶寬每兩年增長約1.4倍。存儲器的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于處理器，兩者之間的差距達(dá)到1.7倍。此外，日益增長的帶寬需求量也是一個重要瓶頸。數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長對網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸速度和容量提出了更高的要求。在過去的幾十年中，串行通信的速度從1Gb/s增長到100Gb/s，并行通信的速度從1Tb/s增長至100Tb/s?，F(xiàn)有計算平臺的架構(gòu)基于馮·諾依曼的“存算分離”，使得數(shù)據(jù)需要頻繁在存儲單元和數(shù)據(jù)單元間搬移。為了解決“存儲墻”，業(yè)界提出了存內(nèi)計算和近存計算兩種方法。存內(nèi)計算是指在存儲單元中嵌入計算單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時計算，這種計算方式可以大大減少數(shù)據(jù)搬運，降低能耗，提高計算效率。近存計算則基于2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)，實現(xiàn)存儲單元和計算單元的距離的縮短和多個高帶寬內(nèi)存的堆疊，高效地傳輸數(shù)據(jù)。

集成電路發(fā)展受到“面積墻”挑戰(zhàn)，先進(jìn)封裝Chiplet集成多個小芯粒凸顯良率優(yōu)勢。擴(kuò)大芯片面積可以實現(xiàn)更多晶體管的集成，從而提高芯片性能。然而，光刻機的光罩限制了芯片的尺寸，目前最先進(jìn)的極紫外光刻機的最大光罩面積為858 mm2（26 mm×33 mm）。2020年，英偉達(dá)發(fā)布A100 GPU芯片，采用臺積電7 nm工藝，制造了近似于一個光罩面積的芯片，面積為826 mm2（~25.5 mm×32.4 mm），具有540億個晶體管，逼近芯片面積極限。此外，隨著芯片尺寸的增大，芯片的良率逐漸下降。在工藝成熟的情況下，當(dāng)芯片面積從213 mm2增至777 mm2時，良率從59%降低至26%，良率的降低將使芯片的成本變得高昂。而先進(jìn)封裝Chiplet能將大尺寸的SoC芯片按功能拆分為一個個小芯粒，主要功能采用先進(jìn)制程，次要功能采用成熟制程，再通過封裝技術(shù)集成，在采用小芯片的同時實現(xiàn)相近的性能。

1.3 封裝技術(shù)持續(xù)迭代，發(fā)展趨勢是小型化、高集成度

傳統(tǒng)封裝的主要作用包括機械保護(hù)、電氣連接、機械連接和散熱。1）機械保護(hù)：裸片易碎，容易受到物理性和化學(xué)性損壞。半導(dǎo)體封裝的主要作用是通過將芯片和器件密封在環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）等封裝材料中，保護(hù)它們免受物理性和化學(xué)性損壞。2）電氣連接：裸片不能直接跟外部電路連接，封裝通過芯片和系統(tǒng)之間的電氣連接來為芯片供電，同時為芯片提供信號的輸入和輸出通路。3）機械連接：需將芯片可靠地連接至系統(tǒng)，以確保使用時芯片和系統(tǒng)之間連接良好。4）散熱：封裝需將半導(dǎo)體芯片和器件產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)出去。在半導(dǎo)體產(chǎn)品工作過程中，電流通過電阻時會產(chǎn)生熱量。半導(dǎo)體封裝將芯片完全地包裹了起來，如果半導(dǎo)體封裝無法有效散熱，則芯片可能會過熱，導(dǎo)致內(nèi)部晶體管升溫過快而無法工作。

先進(jìn)封裝在封裝的四大功能的基礎(chǔ)上，還肩負(fù)著提升芯片性能的作用。具體而言，先進(jìn)封裝對芯片的提升作用包括五個方面：一是實現(xiàn)芯片封裝小型化、高密度化、多功能化；二是降低產(chǎn)品功耗、提升產(chǎn)品帶寬、減小信號傳輸延遲；三是可實現(xiàn)異質(zhì)異構(gòu)的系統(tǒng)集成；四是延續(xù)摩爾定律，提升產(chǎn)品性能的有效途徑；五是降低先進(jìn)節(jié)點芯片的設(shè)計復(fù)雜度和制造成本，縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品良率。

封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢是小型化、高集成度，可分為四個階段：1）第一階段（1970年前）：直插型封裝，特點是將電子元器件直接焊接在電路板上，并通過引腳與電路板相連，以雙列直插封裝DIP（Dual In-line Package）為主；2）第二階段（1970-1990年）：表面貼裝，其特點是使用更短更細(xì)的引線代替針腳或沒有引腳，將電子元件直接粘貼在PCB的表面，然后通過加熱或冷凝的方式將元件固定在電路板上。主要包括小外形封裝SOP（Small Outline Package）、J型引腳小外形封裝SOJ（Small Outline J-leaded）、無引腳芯片載體LCC（Leadless Chip Carrier）、扁平方形封裝QFP（Quad Flat Package）四大封裝技術(shù)和針柵陣列PGA（Pin Grid Array）等技術(shù)；3）第三階段（1990-2000年）：面積陣列封裝，特點是用體積更小的焊球代替引線，這些球形金屬接觸點分布在芯片的表面上，形成一種類似于網(wǎng)格的布局。包括BGA球柵陣列（Ball Grid Array）、CSP芯片尺寸封裝（Chip Scale Package）、倒裝芯片封裝FC（Flip-Chip）等先進(jìn)封裝技術(shù)；4）第四階段（2000年至今）：三維堆疊和異構(gòu)集成，晶圓級封裝WLP（Wafer Level Package）、系統(tǒng)級封裝SIP（System In Package）、扇出型封裝FO（Fan-Out）、2.5D/3D封裝等先進(jìn)封裝技術(shù)百花齊放。總結(jié)來看，每一代封裝技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別是芯片與電路連接方式的區(qū)別，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了連接密度和傳輸速率不斷提高。

2. 典型封裝技術(shù)

2.1 單芯片封裝

2.1.1 倒片封裝（Flip-Chip）：芯片倒置，利用凸塊連接

倒片封裝舍棄金屬引線，利用凸塊（bumping）連接。傳統(tǒng)的引線鍵合方法采用細(xì)金屬線進(jìn)行連接，通過熱、壓力和超聲波能量，將金屬引線與芯片焊盤以及基板焊盤牢固焊接，實現(xiàn)了芯片與基板之間的電氣互連和芯片之間的信息傳遞。這一過程中，金屬引線在焊接的過程中起到了關(guān)鍵作用，通過引線實現(xiàn)了有效的電連接。引線鍵合廣泛應(yīng)用于射頻模塊、存儲芯片以及微機電系統(tǒng)器件封裝。而倒裝封裝舍棄引線，在芯片頂側(cè)形成焊球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)貼到對應(yīng)的外部電路的基板上，利用加熱熔融的焊球?qū)崿F(xiàn)芯片與基板焊盤結(jié)合。這種封裝技術(shù)通常被廣泛應(yīng)用于高性能處理器（如CPU和GPU）、芯片組（Chipset）以及其他要求高密度互連和緊湊尺寸的集成電路封裝。

倒片封裝與引線鍵合在工藝的不同之處在于：1）倒片封裝將芯片倒置，芯片正面倒扣在基板上；2）倒片封裝舍棄金屬引線，利用凸塊連接，需要進(jìn)行凸塊鍵合。

與傳統(tǒng)的引線鍵合相比，倒裝芯片具備眾多優(yōu)勢：1）更高的連接密度：傳統(tǒng)的引線鍵合方法只有外部邊緣用于連接，而倒裝封裝可以充分利用整個芯片表面區(qū)域進(jìn)行互聯(lián)。倒裝芯片面陣列凸點能夠提供更多的輸入輸出管腳，實現(xiàn)更高的傳輸速度和更低的延遲時間，適用于高功率集成電路封裝。2）更短的互聯(lián)距離：倒裝芯片之間的電氣連接不再依賴于傳統(tǒng)的引線，而是通過焊點直接接觸，減少了信號傳輸時的電阻、電感，降低信號延遲。3）更小的封裝尺寸：倒片封裝可以實現(xiàn)更小的封裝尺寸，因為倒裝芯片采用并行工藝，芯片之間的連接不再依賴于引線，而是通過焊點直接接觸，減少了封裝面積和體積。4）更高的散熱效率：倒片封裝可以實現(xiàn)更高的散熱效率，因為倒裝芯片不采用塑封封裝，使得芯片背面可以進(jìn)行有效的冷卻，提高散熱效率。5）更高的可靠性：倒片封裝可以避免引線鍵合過程中出現(xiàn)的引線斷裂、彎曲、錯位等問題，通過環(huán)氧填充確保了封裝的可靠性和耐久性。

倒片封裝的關(guān)鍵工藝是Bumping。凸塊是定向生長于芯片表面，與芯片焊盤直接相連或間接相連的具有金屬導(dǎo)電特性的凸起物，按材質(zhì)可分為金凸塊、焊球凸塊、銅柱凸塊。主流的凸塊工藝均采用圓片級加工，即在整片圓片表面的所有芯片上加工制作凸塊，常用方式有蒸發(fā)方式、印刷方式和電鍍方式。焊球電鍍凸塊的工藝流程為：首先，采用濺射或其它物理氣相沉積的方式在圓片表面沉積一層Ti/Cu作為電鍍所需種子層；其次，在圓片表面旋涂一定厚度的光刻膠，并運用光刻曝光工藝形成所需要圖形；然后，圓片進(jìn)入電鍍機，通過控制電鍍電流、時間等，從光刻膠開窗圖形的底部開始生長并得到一定厚度的金屬層作為UBM；最后，通過去除多余光刻膠、UBMEtching及回流工藝實現(xiàn)電鍍凸塊制作。

2.1.2 扇入型/扇出型封裝（Fan-In/Fan-Out）：在晶圓上進(jìn)行整體封裝，成本更低

晶圓級封裝（Wafer-Level Packaging, WLP）是一種直接在晶圓上完成封裝的技術(shù)。晶圓級封裝與傳統(tǒng)封裝的區(qū)別在于，傳統(tǒng)封裝先將成品晶圓切割成單個芯片再封裝；晶圓級封裝在芯片還在晶圓上時就進(jìn)行整體封裝，封裝完成再進(jìn)行切割分片。晶圓級封裝具備以下優(yōu)點：1）成本更低：晶圓級封裝的成本相對較低，因為批次性處理方式使得成品晶圓能夠一次性全部封裝。2）體積更?。?/strong>晶圓級封裝把整個芯片作為一個整體進(jìn)行封裝，此外，晶圓級封裝通常采用無引腳或極少引腳的形式，進(jìn)一步減小封裝體積。

晶圓級封裝可分為兩大類型：扇入型WLCSP（Fan-In Wafer Level Chip Scale Package, Fan-In WLCSP）和扇出型WLCSP（Fan-Out Wafer Level Chip Scale Package, Fan-Out WLCSP）。在扇入型WLCSP中，封裝尺寸與芯片本身尺寸相同，封裝布線、絕緣層和錫球直接位于晶圓頂部。扇出型WLCSP在封裝后的尺寸大于芯片本身尺寸，是指先對晶圓進(jìn)行切割再封裝，切割好的芯片排列在載體上，芯片與芯片之間的空隙用環(huán)氧樹脂模塑料填充，重塑成晶圓。然后，這些晶圓將從載體中取出，進(jìn)行晶圓級處理，并被切割成扇出型WLCSP單元。

扇入型WLCSP具備如下優(yōu)點：1）尺寸最小化：扇入型封裝實現(xiàn)了尺寸的最小化，最終的二維平面尺寸與芯片尺寸相同；2）工藝成本低：無需基板和導(dǎo)線等封裝材料，因為錫球直接固定在芯片上；3）生產(chǎn)效率高：封裝工藝在晶圓上一次性完成。但扇入型WLCSP也存在一些局限。由于采用硅芯片作為封裝外殼，扇入型封裝的物理和化學(xué)防護(hù)性能相對較弱。在封裝尺寸上，如果封裝錫球的陳列尺寸大于芯片尺寸，將無法進(jìn)行封裝。此外，如果晶圓上的芯片數(shù)量較少或生產(chǎn)良率較低，則扇入型WLCSP的封裝成本要高于傳統(tǒng)封裝。扇入型封裝常用于低I/O數(shù)量（一般小于400）和較小裸片尺寸的工藝中。

扇出型WLCSP是對扇入型封裝的改進(jìn)，具備如下優(yōu)點：1）提高I/O數(shù)量：扇入型的封裝錫球均位于芯片表面，而扇出型的封裝錫球可以延伸至芯片以外。2）防護(hù)性能更強：扇出型封裝受填充的環(huán)氧樹脂模塑料保護(hù)。

WLP工藝流程的關(guān)鍵工藝為重新布線(RDL)。首先，涂覆第一層聚合物薄膜，以加強芯片的鈍化層，起到應(yīng)力緩沖的作用。聚合物種類有光敏聚酰亞胺（PI）、苯并環(huán)丁烯（BCB）、聚苯并惡唑（PBO）。其次，重布線層（RDL），對芯片的鋁/銅焊區(qū)位置重新布局，使新焊區(qū)滿足對焊料球最小間距的要求，并使新焊區(qū)按照陣列排布。光刻膠作為選擇性電鍍的模板以規(guī)劃RDL的線路圖形，濕法蝕刻去除光刻膠和濺射層。然后，涂覆第二層聚合物薄膜，使圓片表面平坦化并保護(hù)RDL層。在第二層聚合物薄膜光刻出新焊區(qū)位置。隨后，凸點下金屬層（UBM），采用和RDL一樣的工藝流程制作。最后，為植球步驟，焊膏和焊料球通過掩膜板進(jìn)行準(zhǔn)確定位，將焊料球放置于UBM上，放入回流爐中，焊料經(jīng)回流融化與UBM形成良好的浸潤結(jié)合，達(dá)到良好的焊接效果。

2.2 多芯片封裝

2.2.1 2.5D/3D封裝：多層芯片堆疊，AI驅(qū)動下HBM需求大增，CoWoS產(chǎn)能成為算力關(guān)鍵卡口

2.5D封裝和3D封裝的區(qū)別在于是否有硅中階層（Si Interposer）。在2.5D封裝中，所有芯片和被動元器件均在基板平面上方，至少有部分芯片和被動元器件安裝在中介層上，中介層通常作為一個載體，承載著各種電路組件和接口。而3D封裝舍棄中介層，直接在芯片上打孔和布線，電氣連接上下層芯片。所有芯片和被動元器件器件均位于基板平面上方，芯片堆疊在一起，在基板平面的上方有穿過芯片的硅通孔（TSV），在基板平面的下方有基板的布線和過孔。

2.5D/3D封裝的關(guān)鍵工藝是硅通孔技術(shù)（through silicon via, TSV）。TSV是一種垂直互連技術(shù)，其概念由威廉·肖克利于1958年首次提出，是指連接硅晶圓兩面并與硅襯底以及其他通孔絕緣的電互連結(jié)構(gòu)。TSV的尺寸通常在10μm×100μm和30μm×200μm之間，開口率介于0.1%~1%。與傳統(tǒng)平面互連相比，TSV能夠縮短互連長度、減小信號延遲、降低寄生電容和電感，實現(xiàn)芯片間低功耗和高速通信，同時增加寬帶并實現(xiàn)封裝的小型化。TSV目前主要應(yīng)用于芯片三維堆疊、硅轉(zhuǎn)接板等領(lǐng)域。硅轉(zhuǎn)接板是芯片和有機基板的中間層，分為無源和有源兩類，其中無源轉(zhuǎn)接板僅包含金屬互連層，而有源轉(zhuǎn)接板則可集成供電、片內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

根據(jù)TSV被制作的時間順序，有3種類型的TSV工藝。分為先通孔工藝（Via First）、中通孔工藝（Via Middle）和后通孔工藝（Via Last），分別指TSV制作在晶圓制作工藝中的前、中或后段。

Via First是指在器件（如MOSFET器件）結(jié)構(gòu)制造之前，先進(jìn)行TSV結(jié)構(gòu)的通孔刻蝕，孔內(nèi)沉積高溫電介質(zhì)（熱氧沉積或化學(xué)氣相沉積），然后填充摻雜的多晶硅。多余的多晶硅通過CMP去除。

Via Middle常常指在形成器件之后但在制造疊層之前制造的通孔工藝。在有源器件制程之后形成TSV結(jié)構(gòu)，然后內(nèi)部沉積電介質(zhì)。淀積阻擋層鈦金屬和銅種子層，然后電鍍銅填充通孔，或通過化學(xué)氣相沉積鎢金屬填充通孔。

Via Last包括兩種工藝。正面后通孔工藝是在Back End of Line（BEOL）工藝處理結(jié)束后，從晶圓正面形成通孔的一種制造工藝。從概念上講，在晶圓上制造的后通孔工藝與中通孔工藝相似，但是對工藝溫度有進(jìn)一步的限制（必須小于400℃）。背面后通孔工藝是在BEOL工藝處理結(jié)束后，從晶圓背面進(jìn)行通孔結(jié)構(gòu)的一種制造工藝。首先使用粘合劑將兩個器件晶圓以面對面方式粘合，接下來，將頂部晶圓減薄，將TSV結(jié)構(gòu)刻蝕至頂部晶圓和底部晶圓上的焊盤，孔內(nèi)沉積電介質(zhì)，最后，將金屬沉積到TSV結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行表面金屬層再布線。

HBM使用2.5D/3D封裝技術(shù)打破“內(nèi)存墻”制約，成為AI及高性能計算需求下的主流方案。高帶寬內(nèi)存(High Bandwidth Memory, HBM)通過邏輯芯片和多層的DRAM堆疊來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，突破了帶寬瓶頸，成為AI訓(xùn)練芯片的首選。第一代HBM的架構(gòu)如下圖所示，由4層DRAM和邏輯芯片堆疊在一起，每層之間通過TSV和微凸點連接。每個HBM有8個通道，每個通道有128個I/O，因此每個HBM有1024個I/O，即合計1024個TSV位于HBM的中間區(qū)域。存儲器和處理器通過無源轉(zhuǎn)接板上的再布線層（RDL）將HBM邏輯芯片的端口物理層（Port Physical Layer, PHY）與處理器的PHY相連。HBM的性能較傳統(tǒng)GDDR5更具優(yōu)勢，GDDR5的帶寬最高可達(dá)32 GB/s，而HBM1、HBM2和HBM2的帶寬分別達(dá)到了128 GB/s、307 GB/s和819 GB/s。其中，HBM內(nèi)部的DRAM堆疊屬于3D封裝，而HBM與芯片其他部分合封于硅中介層上屬于2.5D封裝。

HBM的帶寬提升源于堆棧式封裝帶來的高位寬以及I/O速率的提升。1）位寬：HBM的位寬是GDDR5的32倍。顯存帶寬是指顯示芯片與顯存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，帶寬的計算公式為：顯存帶寬(GB/s) = 顯存實際頻率(MHz) × 顯存數(shù)據(jù)倍率 × 顯存等效位寬(bit) / 8。GDDR5的頻率可達(dá)1750 MHz，采用4倍速率機制，其等效頻率為7000 MHz，但GDDR5內(nèi)部I/O位寬僅32 bit；相比之下，HBM的頻率為500 MHz，采用2倍速率機制，等效頻率為1000 MHz，但HBM內(nèi)部I/O位寬高達(dá)1024 bit，將帶寬提升至128 GB/s。HBM之所以能實現(xiàn)32倍于GDDR5的I/O位寬，是因為它采用了堆棧式設(shè)計，通過TSV堆棧方式將DRAM裸片垂直堆疊放置，從而實現(xiàn)在相同底面積上布置了數(shù)倍的DRAM顆粒，以達(dá)到更高的I/O數(shù)量。2）I/O速率：在數(shù)值上，顯存速率和顯存頻率是相等的，使帶寬計算公式簡化為：顯存帶寬(GB/s) = 顯存數(shù)據(jù)速率(Gbps) × 顯存等效位寬(bit) / 8。這是因為顯存速率表示每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，單位為bps (bits per second)。顯存頻率以MHz為單位，頻率單位赫茲的本質(zhì)就是，描述了單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。因此，在數(shù)值上，顯存速率和顯存頻率是相等的。根據(jù)JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會發(fā)布的HBM3標(biāo)準(zhǔn)，HBM3定義高達(dá)6.4 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，堆棧中的DRAM芯片數(shù)量（四到十六個）及其具體容量（每堆棧4 GB到64 GB）不等，計算得到初始HBM3堆?？商峁┟慷褩?19GB/s的傳輸帶寬。

HBM堆棧層數(shù)增加對芯片間鍵合技術(shù)提出更高的要求，關(guān)鍵改進(jìn)是使用混合鍵合替代原來的微凸點鍵合。混合鍵合是一種實現(xiàn)介質(zhì)層與介質(zhì)層、金屬與金屬界面無縫隙鍵合的技術(shù)，芯片鍵合界面由介質(zhì)層（通常為SiO2）和金屬（通常為Cu）組成。SiO2介質(zhì)層為集成單元提供機械支撐與電氣隔離，Cu-Cu鍵合提供芯片間的垂直電氣互連。對于Cu和SiO2混合鍵合結(jié)構(gòu)，首先要對鍵合表面進(jìn)行等離子或快速原子束表面激活處理，之后進(jìn)行直接鍵合，最后進(jìn)行退火處理。退火在增強SiO2-SiO2鍵合強度的同時，也促進(jìn)了Cu晶粒的生長和擴(kuò)散以實現(xiàn)Cu-Cu鍵合。海力士計劃將混合鍵合技術(shù)應(yīng)用于下一代HBM4產(chǎn)品，混合鍵合技術(shù)可以大幅縮小電極尺寸，從而實現(xiàn)更高的I/O密度，同時可以顯著縮小芯片之間的間隙，減少產(chǎn)品厚度。

混合鍵合的主要優(yōu)點包括：1）縮小互聯(lián)間距：它可以實現(xiàn)超細(xì)間距的芯片互連，比傳統(tǒng)微凸點連接提高了10倍以上。超細(xì)間距的連線將增加布線的有效使用面積，增加通道數(shù)量，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理串并行轉(zhuǎn)換，簡化I/O端口電路，增大數(shù)據(jù)傳輸帶寬。2）降低信號延時：它可以實現(xiàn)芯片之間的無凸點互連通信，取消微凸點連接，進(jìn)一步降低通道的寄生電感性和信號延時。3）減薄芯片厚度：混合鍵合可以實現(xiàn)超薄芯片的制備，通過芯片的減薄可以大幅降低芯片的厚度和重量，并進(jìn)一步提升互連帶寬；4）提高鍵合可靠性：混合鍵合還可以提高鍵合的可靠性，通過分子尺度的銅-銅觸點融合和二氧化硅-二氧化硅的分子共價鍵連接，大幅提高了界面鍵合力，增強了芯片對環(huán)境的適應(yīng)性。

HBM的高密度連接和短互聯(lián)間距，要求臺積電的CoWoS封裝技術(shù)。CoWoS是臺積電于2012年研發(fā)的一種2.5D集成封裝技術(shù)，可分為CoW和oS兩步，CoW（chip on wafer）是將計算核心、I/O die、HBM等芯片封裝在硅中介層上；然后再把CoW芯片整體封裝在基板（Substrate）上，即oS（on substrate）環(huán)節(jié)。CoWoS可以節(jié)省空間，實現(xiàn)HBM所需的高互聯(lián)密度和短距離連接；還能將不同制程的芯片封裝在一起，在滿足AI、GPU等加速運算的需求的同時控制成本。目前所有先進(jìn)的AI計算芯片都使用HBM，而幾乎所有HBM都封裝在CoWoS上。

根據(jù)中介層材料的不同，CoWoS有三種變體：CoWoS-S（中介層是Si襯底）、CoWoS-R（中介層由RDL構(gòu)成）和CoWoS-L（中介層由Chiplet和RDL組成），其中CoWoS-S為量產(chǎn)主要配置。CoWoS-S利用硅片作為橋梁，芯片互聯(lián)密度最高；出于成本的考慮，CoWoS-R采用有機轉(zhuǎn)接板，但也導(dǎo)致芯片互聯(lián)密度較低；CoWoS-L將小硅橋安裝在有機轉(zhuǎn)接板中，僅在芯片鏈接部分使用硅片，實現(xiàn)鄰近芯片邊緣的高密度連接，生產(chǎn)成本和性能介于CoWoS-R和CoWoS-S之間。

2024年，CoWoS預(yù)計為臺積電帶來70億美元營收。AI需求驅(qū)動下，CoWoS在臺積電營收的比重逐漸上升。根據(jù)Information Network估計，2022/2023/2024年CoWoS收入占臺積電營收的比例將分別達(dá)到7.00%/7.49%/8.21%。以臺積電2024年全年營收指引852.37億美元估算，AI將帶來約69.94億美元的CoWoS營收，較2023年同比增長34.69%。

CoWoS的絕大多數(shù)需求來自AI。英偉達(dá)的H100、A100均由臺積電代工，并使用CoWoS先進(jìn)封裝。根據(jù)Omdia，2023Q3英偉達(dá)售出近50萬個A100和H100 GPU，Meta和微軟是最大買家，其次是谷歌、亞馬遜、甲骨文和騰訊。得益于人工智能和高性能計算的需求，本財年第三季度，Nvidia在數(shù)據(jù)中心硬件上獲得了145億美元的收入。龐大的需求量導(dǎo)致CoWoS產(chǎn)能供不應(yīng)求。除了英偉達(dá)外，AMD的最新AI GPU產(chǎn)品MI300也導(dǎo)入臺積電的CoWoS（2.5D）和SoIC（3D）的技術(shù)。此外，還有一系列ASIC芯片，如英特爾的Habana Gaudi、谷歌的TPU v5e、亞馬遜的Inferentia和Trainium芯片等。

根據(jù)我們的測算，CoWoS封裝的單價為722.08美元/顆，2023年/2024年基于CoWoS的芯片出貨量將達(dá)到346萬顆/693萬顆，其中供給英偉達(dá)的芯片分別為130萬顆/433萬顆。按照12英寸晶圓面積70695 mm2和H100、A100、Epic Genoa、MI300四種AI芯片平均面積980mm2，測算得到每張晶圓上芯片數(shù)約72顆。根據(jù)Information Network給出的2022年CoWoS月產(chǎn)能為8500片以及前文測算的2022年臺積電CoWoS收入，得到單顆芯片CoWoS封裝價格約為722.08美元。而根據(jù)DigiTimes的報道，2023年CoWoS年產(chǎn)能約12萬片，2024年將沖上24萬片，其中英偉達(dá)將取得14.4-15萬片。由于這些芯片多在7nm和5nm節(jié)點生產(chǎn)，保守假設(shè)良率為40%。我們以英偉達(dá)2023年和2024年分別取得4.5萬片和15萬片的產(chǎn)能來算，預(yù)計英偉達(dá)出貨量約130萬顆和433萬顆。全體AI芯片出貨量約346萬顆和693萬顆，對應(yīng)2023年/2024年CoWoS將產(chǎn)生25億美元/50億美元收入。

供需短缺情況將在13個月內(nèi)得到緩解，非臺積供應(yīng)鏈（non TSMC）有機會受益。臺積電已于2023年第二季度開始采取行動擴(kuò)產(chǎn)，包括將部分InFO產(chǎn)能從龍?zhí)掇D(zhuǎn)移至南科，以便在龍?zhí)掇D(zhuǎn)擴(kuò)CoWoS產(chǎn)能。2023年7月25日，臺積電宣布擬投資900億新臺幣（約206億元人民幣）于竹科轄下銅鑼科學(xué)園區(qū)新建先進(jìn)封裝廠，以加速擴(kuò)產(chǎn)CoWoS產(chǎn)能，預(yù)計2026年底建廠完成，2027年開始量產(chǎn)。此外，臺積電同時也將部分委外至其他封測廠，聯(lián)電、安靠、矽品等均提供產(chǎn)能支持。影響CoWoS擴(kuò)產(chǎn)的關(guān)鍵是設(shè)備交貨時間較長。臺積電董事長劉德音在2023年9月6日出席大師論壇專題演講會時稱，CoWoS預(yù)期1年半后可100%滿足客戶需求。因此對非臺積供應(yīng)鏈來說，在CoW端接單的窗口期已不足13個月，加之?dāng)U產(chǎn)時間考慮，各封測廠商對于擴(kuò)產(chǎn)態(tài)度與規(guī)模較為保守。

2.2.2 系統(tǒng)級封裝（SiP）：多個子芯片集成，良率更高

系統(tǒng)級封裝（System In Package, Sip）是指將多個子芯片集成在一個封裝中，從而實現(xiàn)一個基本完整的功能的封裝方式。傳統(tǒng)的摩爾定律主要關(guān)注處理器和存儲器的技術(shù)發(fā)展趨勢，而這些器件可能只占據(jù)整個系統(tǒng)中器件數(shù)目的10%。除此之外，系統(tǒng)中還包括電源、天線、過濾器、傳感器、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)、電阻和電容等。如果試圖將這些技術(shù)集成在單一芯片中，可能會導(dǎo)致性能不佳。因此，業(yè)界正在積極開發(fā)SiP（系統(tǒng)級封裝）等封裝技術(shù)，以實現(xiàn)更好的性能和集成。

SiP封裝技術(shù)介于SoC芯片和chiplet封裝之間。系統(tǒng)級芯片SoC（System on a Chip）將不同功能元器件整合在單個芯片，開發(fā)時間長、良率低，且各功能模塊的納米制程必須相同。系統(tǒng)級封裝SiP（System in a Package）將多芯片異構(gòu)集成，開發(fā)時間較短、良率較高，部分可重復(fù)使用。單獨IP集成Chiplet將一類滿足特定功能的小芯粒通過die-to-die內(nèi)部互聯(lián)，各功能模塊的納米制程可以不同。

SiP可以采用水平式、堆疊式或嵌入式的封裝方式。從結(jié)構(gòu)上看，SiP可以分為三類，一類是2D封裝結(jié)構(gòu)，其中多個芯片水平排列在基板上，這種結(jié)構(gòu)的封裝面積較大，封裝效率較低，但是工藝相對簡單和穩(wěn)定。另一類是堆疊封裝，其中芯片垂直疊放，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高效的封裝，充分發(fā)揮SiP的技術(shù)優(yōu)勢，3D SiP的實現(xiàn)需要多種先進(jìn)的封裝工藝，如芯片堆疊(CoC)、硅通孔(TSV)等，以確保整個系統(tǒng)的可靠性和性能。還有一類是嵌入式封裝，需要使用埋入式基底(Embedded Subtrate)技術(shù)。

2.2.3 芯粒（Chiplet）：多顆小芯粒靈活組裝，支持異構(gòu)集成

Chiplet將芯片劃分為小芯粒，具備靈活性和功能性優(yōu)勢。Chiplet對需要實現(xiàn)的復(fù)雜功能進(jìn)行分解，然后開發(fā)出多種具有單一特定功能的裸芯片，這些來自不同功能、不同工藝節(jié)點的裸芯片可相互進(jìn)行模塊化組裝，最終形成一個完整的芯片。這種方法實現(xiàn)了異質(zhì)集成，為芯片設(shè)計帶來了更大的靈活性和可擴(kuò)展性，有效提升了產(chǎn)品的功能性。當(dāng)前，Chiplet架構(gòu)主要應(yīng)用于服務(wù)器處理器芯片、人工智能加速芯片、通信芯片、移動與桌面處理器芯片和晶圓級處理器芯片。

在Chiplet架構(gòu)中，芯粒之間通過互連接口實現(xiàn)電氣連接。下圖展示了基于Chiplet架構(gòu)的芯片，該芯片包含三種不同功能的芯粒。這些芯粒通過D2D互連接口進(jìn)行電氣互連，同時通過硅轉(zhuǎn)接板和基板進(jìn)行物理連接。芯粒與硅轉(zhuǎn)接板之間通過micro bump互連，以支持芯粒間高速信號的高密度互連。硅轉(zhuǎn)接板與底部基板之間則通過C4 bump實現(xiàn)互連，用于傳遞電源和外部I/O等功能。

Chiplet具備良率、成本、異構(gòu)計算優(yōu)勢，適用于復(fù)雜功能的定制化需求。由于Chiplet由多顆芯粒組成，單顆芯粒的面積較小，其良率高。直接設(shè)計一整塊SoC的面積較大，可能導(dǎo)致較低的良率，從而帶來高昂的成本。此外，Chiplet技術(shù)支持封裝內(nèi)部的異構(gòu)集成，可以根據(jù)模塊功能選擇芯片制程，針對特定功能模塊設(shè)計專用的高性能芯片，對于其他通用芯片粒采用成熟制程。

Chiplet封裝技術(shù)也正邁向3D封裝，互聯(lián)節(jié)距持續(xù)縮小。Chiplet封裝廣泛使用各類先進(jìn)封裝技術(shù)，包括2D MCM、2.3D封裝、2.5D-轉(zhuǎn)接板、2.5D-FOP、2.7D-硅橋、3D封裝-bumped、3D封裝-bumpless等。封裝結(jié)構(gòu)已從2D封裝發(fā)展到3D封裝，互聯(lián)間距從12μm縮短至0.5μm以下，bump節(jié)距從過去的130μm縮小至3μm?；ミB帶寬逐步增加，互連質(zhì)量逐步提升。

3. 先進(jìn)封裝市場

3.1 市場規(guī)模：受下游旺盛需求拉動，先進(jìn)封裝增速高于傳統(tǒng)封裝 

AI及高性能計算需求旺盛，先進(jìn)封裝景氣度高于整體封裝行業(yè)。根據(jù)JW Insights和Yole，全球先進(jìn)封裝市場規(guī)模有望從2022年378億美元上升至2026年482億美元，CAGR約為6.26%。從全球封裝市場結(jié)構(gòu)來看，2022年先進(jìn)封裝的市場份額為47.2%。由于先進(jìn)封裝市場增速超過傳統(tǒng)分裝市場增速，先進(jìn)封裝的市場份額將持續(xù)提升，預(yù)計至2026年將達(dá)到50.2%。

目前先進(jìn)封裝仍然以倒片封裝為主，3D堆疊和ED增速較快。根據(jù)JW Insights和Yole，F(xiàn)lip-chip是市場規(guī)模最大的先進(jìn)封裝工藝，2022年市場規(guī)模達(dá)到290.94億美元，占比76.7%，其后為3D堆疊（38.33億美元）、Fan-out（22.05億美元）、WLCSP（26.98億美元）、ED（0.78億美元）。在各先進(jìn)封裝工藝中，成長性較高的是3D堆疊和ED。3D堆疊封裝2022年市場規(guī)模為38.33億美元，預(yù)計2026年可以達(dá)到73.67億美元，2022年-2026年CAGR為18%，主要是受高性能運算、AI等領(lǐng)域的需要拉動。嵌入式基板封裝（ED）是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，在5G硬件和CIS等場景有較大的增量空間。2022年ED的市場規(guī)模為0.78億美元，預(yù)計2026年可以達(dá)到1.89億美元，2022年-2026年CAGR為25%。

3.2 競爭格局：海外IDM和Foundry掌握先進(jìn)封裝前沿技術(shù)

IDM（集成電路制造商）和Foundry（晶圓代工廠）開拓高端3D封裝，而OSAT（外包封測公司）主攻中低端倒裝、晶圓級封裝。根據(jù)Yole，2022年集成電路先進(jìn)封裝市場中，OSATs的市場份額為65.1%，IDM的市場份額為22.6%，F(xiàn)oundry的市場份額為12.3%。先進(jìn)封裝頭部六位玩家市場份額超70%，包括3所外包封測公司日月光（占比25.0%）、安靠（占比12.4%）、長電科技（占比8.8%），1所晶圓代工廠臺積電（占比12.3%）以及2所集成電路制造商三星（占比9.4%）、英特爾（占比6.7%）。

先進(jìn)封裝向2.5D/3D進(jìn)發(fā)，技術(shù)路線由海外Foundry和IDM廠主導(dǎo)。臺積電已成為先進(jìn)封裝技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)者之一，相繼推出了基板上晶圓上的芯片（Chip on Wafer on Substrate, CoWoS）封裝、整合扇出型（Integrated Fan-Out, InFO）封裝、系統(tǒng)整合芯片（System on Integrated Chips, SoIC）等；英特爾推出了嵌入式多芯片互連橋接（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，EMIB）、三維邏輯芯片封裝（Foveros）等先進(jìn)封裝技術(shù)；三星推出了I-Cube（Interposer-Cube）、X-Cube（eXtended-Cube）技術(shù)。

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