先進封裝的出現，讓業界看到了通過封裝技術推動芯片高密度集成、性能提升、體積微型化和成本下降的巨大潛力。隨著集成電路制造工藝沿著摩爾定律發展的步伐放緩，先進封裝技術正成為集成電路產業發展的新引擎。

1. 集成電路與封裝的發展

芯片由集成電路裸片（Die）與外圍封裝結構組成，二者共同決定了芯片的性能。國際半導體技術路線圖（ITRS）指出，集成電路技術會沿More Moore（延續摩爾定律）和More than Moore（拓展摩爾定律）兩個方向發展。延續摩爾定律的技術路線主要關注減小晶體管尺寸、增加集成電路密度；而拓展摩爾定律技術路線則更關注利用封裝技術提高芯片和系統的集成度。

隨著先進制程逐漸向原子尺寸逼近，短溝道效應和量子隧穿效應使晶體管的制造難度呈指數級增加。并且，隨著制程提高，整體成本會大幅增加，5nm芯片設計成本已經是28nm芯片的8倍，這對于多數企業是難以承受的。縱觀全世界，僅有臺積電、三星和英特爾具備7nm制程工藝且有實力向3nm、2nm發展。因此，通過封裝技術降低成本，將系統微型化、多功能化成為芯片產業發展的新引擎動力。

圖1 芯片結構示意圖

2. 半導體封裝技術

封裝是將集成電路芯片包封在某一標準組件中的方法、結構和工藝，具有保護、固定、密封以及增強芯片電熱性能的作用，是連接芯片與系統的橋梁，封裝后的芯片可作為標準組件安裝在印刷電路板（PCB）上實現應用。

圖2 芯片封裝示意圖

隨著半導體工藝的發展，芯片引腳數逐漸增加，封裝形式也由傳統封裝（引線框架作為載體，采用引線鍵合互連）向先進封裝發展。在單芯片封裝方面，先進封裝較傳統封裝提升了芯片的集成密度和電氣互聯速度，降低了設計門檻，優化了功能搭配的靈活性。隨著封裝形式的多樣化、組合化發展，先進封裝不僅指單芯片封裝，還包括將至少兩顆以上芯片集成在一起的系統級封裝（SiP）。

圖3 芯片封裝技術的發展（來源：yole）

表1 傳統封裝與先進封裝

圖4 單芯片封裝與系統極封裝（SiP）

3. 先進封裝技術解析

目前，先進封裝包含的代表技術包括倒裝芯片技術（Flip Chip）、硅通孔技術（TSV）、晶圓級封裝（WLP）、系統級封裝（SiP）技術。

倒裝芯片技術（Flip Chip）

Flip Chip是將芯片通過bump（凸點結構）直接與封裝基板上的接口進行連接。

圖5 Flip Chip示意圖

相比傳統引線鍵合封裝，倒裝主要有如下優勢：1）性能方面，可減少引線帶來的寄生電容，有利于提高頻率、改善電學及熱學性能；2）經濟性方面，工藝簡單，成本較低；3）空間方面，減小封裝體積，使封裝成品與芯片尺寸相當，實現芯片尺寸封裝（Chip-Size Packaging，CSP）。

硅通孔技術（TSV）

TSV（Through Silicon Via， 硅通孔）技術主要用于立體封裝，在垂直方向為芯片提供電氣延伸和互連。按照集成類型的不同TSV分為2.5D和3D，2.5D通孔位于中介層，而3D通孔貫穿芯片本身，直接連接上下層芯片。

3D TSV技術使上下兩片結構相同的芯片直接連接，從而實現大帶寬、低時延的數據傳輸。這一特性與存儲芯片的需求極度匹配，可提高存儲芯片間的傳輸速度并降低功耗，已被大量應用于高端Flash和DRAM堆疊中。

2.5D TSV技術可以為同一封裝體內的多個芯片提供大帶寬、低時延的數據傳輸，與3D TSV結合的封裝方式，已被大量應用于CPU、GPC當中。

圖6 TSV技術示意圖

晶圓級封裝（WLP）

傳統封裝工藝是先將晶圓切割為裸片再進行封裝，而晶圓級封裝是先進行封裝再切割。晶圓級封裝能明顯縮小芯片封裝后的尺寸，還能提升數據傳輸的速度與穩定性，被廣泛應用于消費電子芯片。

RDL（ReDistribution Layer）重布線層作為晶圓級封裝中的核心技術，起著XY平面電氣延伸和互聯的作用。在芯片設計和制造時，IO端口一般分布在芯片的邊沿或者四周，為了便于與外界相連，需要在晶圓表面沉積金屬層和相應的介質層，并形成金屬布線，將IO端口重新排布到位置較寬松的區域，并形成面陣列排布。

圖7 RDL技術示意圖

系統級封裝（SiP）

SiP（System in Package，系統級封裝）將多個具有不同功能的有源電子元件（通常是裸芯片）、無源器件及其他器件（MEMS或光學器件等）構成一個系統或子系統，并將多個系統組裝到一個封裝體內部，使其成為具有一定功能的單體封裝件。從連接方式上看，倒裝（FC）、重布線（RDL）和嵌入式（Embedded Die）是實現SiP的三條常見技術路線。

Chiplet技術是如今被廣泛研究的SiP技術，它將單顆芯片的各功能區分解成多顆獨立的芯片，并通過封裝技術重新組成一個完整的系統。與傳統的單一芯片相比，采用Chiplet技術的單顆芯片面積較小，可提高制造良率和實現異構集成。

圖8 Chiplet技術示意圖

4. 先進封裝的應用案例

半導體行業已經基本實現分工精細化，產業鏈主要由設計、生產、封測等環節組成。先進封裝推動前后道工藝相互滲透融合，具有較高技術壁壘和技術積累的廠商會向上下游工序延伸。如今，前、后道的頭部廠商憑借各自優勢入局，成為先進封裝行業的主力軍，其中，前道主要有英特爾、三星、臺積電，后道主要有日月光、安靠、長電科技等。

以英特爾為例，作為IDM代表性企業，在先進封裝領域也不斷推陳出新，而先進封裝也是英特爾IDM2.0計劃的關鍵點之一［7］（圖11）。2017年，英特爾推出的EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge 嵌入式多核心互聯橋接）是其推進先進封裝的重要一步。EMIB封裝技術可以根據需要將CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封裝到一起，能夠把10nm、14nm、22nm等多種不同工藝的芯片封裝在一起做成單一芯片，適應靈活的業務的需求。2019年，英特爾推出Foveros技術，開始將芯片豎直堆疊，進行橫向和縱向之間的互連，一定意義上實現了3D堆疊。緊接著，在2019年的SEMICON West上，英特爾又將EMIB與Foveros技術結合。

圖9 英特爾先進封裝技術 （來源：英特爾官網）

總結

當前半導體領域處于高速發展的新階段，先進封裝是后摩爾時代系統集成與功能融合的關鍵路徑，成為芯片制造與封裝企業的新賽道，國內企業需抓住機會，在不斷追趕國際半導體制造先進制程的同時，大力發展先進封裝技術，在芯片制造領域縮短與世界領先水平的距離。