1 后摩爾時代，先進封裝成為提升芯片性能重要解法

1.1 摩爾定律放緩，先進封裝日益成為提升芯片性能重要手段

隨著摩爾定律放緩，芯片特征尺寸接近物理極限，先進封裝成為提升芯片性 能，延續摩爾定律的重要手段。先進封裝是指處于前沿的封裝形式和技術，通過 優化連接、在同一個封裝內集成不同材料、線寬的半導體集成電路和器件等方式， 提升集成電路的連接密度和集成度。當前全球芯片制程工藝已進入 3-5nm 區間， 接近物理極限，先進制程工藝芯片的設計難度、工藝復雜度和開發成本大幅增加， 摩爾定律逐漸失效，半導體行業進入“后摩爾時代”。前道制程工藝發展受限，但 隨著 AI 等新興應用場景快速發展，芯片性能要求日益提高，越來越多集成電路 企業轉向后道封裝工藝尋求先進技術方案，以確保產品性能的持續提升。先進封 裝技術應運而生，在“后摩爾時代”逐步發展為推動芯片性能提升的主要研發方向。先進封裝有多種分類標準，是否有焊線或光刻工序是其中一種區分方式。傳 統封裝不涉及光刻工序，切割后的晶圓通過焊線工藝實現芯片與引線框架的電性 連接，從而完成芯片內外部的連通。先進封裝主要利用光刻工序實現線路重排 （RDL）、凸塊制作（Bumping）及三維硅通孔（TSV）等工藝技術，涉及涂膠、曝 光、顯影、電鍍、去膠、蝕刻等工序。

1.2 先進封裝份額占比提升，2.5D/3D 封裝增速領先先進封裝

AI 帶動先進封裝需求。TrendForce 報告指出，聊天機器人等生成式 AI 應用 爆發式增長，帶動 2023 年 AI 服務器開發大幅擴張。這種對高端 AI 服務器的依 賴，需要使用高端 AI 芯片，這不僅將拉動 2023~2024 年 HBM 的需求，而且預計 還將在 2024 年帶動先進封裝產能增長 30~40%。先進封裝增速高于整體封裝，2.5D/3D 封裝增速居先進封裝之首。根據 Yole， 2021 年，先進封裝市場規模約 375 億美元，占整體封裝市場規模的 44%，預計到 2027 年將提升至占比 53%，約 650 億美元，CAGR21-27為 9.6%，高于整體封裝市場 規模 CAGR21-27 6.3%。先進封裝中的 2.5D/3D 封裝多應用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS 等，受數據中心、高性能計算、自動駕駛等應用的驅動，2.5D/3D 封裝市場收入規模 CAGR21-27高達 14%，在先進封裝多個細分領域中位列第一。

1.3 先進封裝處于晶圓制造與封測的交叉區域

先進封裝處于晶圓制造與封測制程中的交叉區域，涉及 IDM、晶圓代工、封 測廠商。先進封裝要求在晶圓劃片前融入封裝工藝步驟，具體包括應用晶圓研磨 薄化、重布線（RDL）、凸塊制作（Bumping）及硅通孔（TSV）等工藝技術，涉及 與晶圓制造相似的光刻、顯影、刻蝕、剝離等工序步驟，從而使得晶圓制造與封 測前后道制程中出現中道交叉區域。前后道大廠爭先布局先進封裝，競爭格局較為集中。后摩爾時代，先進制程 成本快速提升，一些晶圓代工大廠發展重心正在從過去追求更先進納米制程，轉 向封裝技術的創新。諸如臺積電、英特爾、三星、聯電等芯片制造廠商紛紛跨足 封裝領域。先進封裝競爭格局較為集中，全球主要的 6 家廠商，包括 2 家 IDM 廠 商(英特爾、三星)，一家代工廠商(臺積電)，以及全球排名前三的封測廠商(日 月光、Amkor、JCET)，共處理了超過 80%的先進封裝晶圓。

2 TSV：硅通孔，先進封裝關鍵技術

2.1 TSV：硅通孔技術，芯片垂直堆疊互連的關鍵技術

TSV（Through Silicon Via），硅通孔技術，是通過硅通道垂直穿過組成堆 棧的不同芯片或不同層實現不同功能芯片集成的先進封裝技術。TSV 主要通過銅 等導電物質的填充完成硅通孔的垂直電氣互連，減小信號延遲，降低電容、電感， 實現芯片的低功耗、高速通信，增加帶寬和實現器件集成的小型化需求。此前，芯片之間的大多數連接都是水平的，TSV 的誕生讓垂直堆疊多個芯片 成為可能。Wire bonding（引線鍵合）和 Flip-Chip（倒裝焊）的 Bumping（凸 點）提供了芯片對外部的電互連，RDL(再布線)提供了芯片內部水平方向的電互 連，TSV 則提供了硅片內部垂直方向的電互連。

2.2 TSV 三種主要應用方向：背面連接、2.5D 封裝、3D 封裝

TSV 有多種用途，可大致分為 3 種：(a) 垂直的背面連接，無芯片堆疊，如“簡單的背面連接”。TSV 位于有源晶 粒（active die）中，用于連接至晶圓背面的焊盤（bond pad）；(b) 2.5D 封裝。晶粒（die）連接至硅中介層（interposer），TSV 在中介層 中；(c) 3D 封裝。TSV 位于有源晶粒中，用于實現芯片堆疊。

（a）TSV 作為簡單背面連接：用于 CIS 和鍺化硅（SiGe）功率放大器

TSV 三種主要應用方式中，簡單的背面連接結構是技術難度最低的，也是 TSV 技術首次大規模投入生產時的應用方向，如 CMOS 圖像傳感器（CIS）、SiGe 功率 放大器兩個產品就應用了 TSV 技術。將 TSV 用于 CMOS 圖像傳感器有許多優點：1）使用 TSV 代替引線鍵合可以減小相機模組的尺寸。2）簡化了圖像傳感器的晶圓級封裝（WLP）。WLP 工藝的第一步 是將玻璃晶圓附著到圖像傳感器的正面，防止光刻膠(抗蝕劑)微透鏡在組裝過程 中受到損壞和污染，然而安裝好玻璃晶圓后會使從晶圓正面到焊盤的連接途徑受 阻，TSV 通過簡化晶圓級封裝，對此問題提供了簡易的解決方法。

（b）TSV 應用于 2.5D 封裝：FPGA

與簡單的背面連接相比，2.5D 先進封裝的硅中介層需要更小的 TSV 間距 （≤50 μm），因此需要更先進的 TSV 工藝。現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件是最早 使用硅中介層的產品之一：硅中間層可以使芯片間密切連接，整合后的結構看起 來像單個大尺寸的 FPGA 芯片，解決了早期直接構建單個大尺寸 FPGA 芯片的技術 難題。

（c）TSV 應用于 3D 封裝：存儲器堆疊

儲器堆疊是首批應用 3D 堆疊 TSV 結構的產品之一，和 2.5D 封裝中硅中階層 對 TSV 間距的需求相似，但實際應用中難度更高，例如寬 I/O DRAM 設備。使用寬 I/O DRAM 和芯片堆疊的優勢包括封裝高度降低40%，功耗降低50%， 帶寬增加 6 倍。

2.3 國內封測廠 TSV 布局情況：多家頭部廠商已有布局

內資封測廠商向 TSV 等先進封裝領域突破。全球半導體產業經歷二次產業轉 移，目前處于第三次產業轉移的進程之中，作為半導體領域壁壘相對較低的領域， 封測產業目前主要轉移至亞洲區域，主要包括中國大陸、中國臺灣、東南亞等。封測是中國大陸集成電路發展最為完善的板塊，技術能力與國際先進水平比較接 近，我國封測市場已形成內資企業為主的競爭格局。中國大陸封測市場目前主要 以傳統封裝業務為主，經過多年的技術創新和市場積累，內資企業產品已由 DIP、 SOP、SOT、QFP 等產品向 QFN/DFN、BGA、CSP、FC、TSV、LGA、WLP 等技術更先進 的產品發展，并且在 WLCSP、FC、BGA 和 TSV 等技術上取得較為明顯的突破，產 量與規模不斷提升，逐步縮小與外資廠商之間的技術差距，極大地帶動我國封裝 測試行業的發展。

我國頭部封測企業，如長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技已有采用 TSV技術封裝的產品批量出貨。2.5D/3D封裝所需的晶圓內部的加工如TSV加工， 硅轉接板加工等工序屬于晶圓廠擅長制程，而晶圓，裸芯片(Die)之間的高密度 互聯和堆疊，以及和基板，接點的互聯技術屬于芯片后道成品制造環節的優勢。應用于 CoWoS 等 2.5D/3D 先進封裝中的 TSV 技術對深寬比等有更高要求，需要用 到諸多前道設備，仍多由晶圓廠來完成。國內封測廠則在先進封裝平臺、CIS 封 裝等領域對 TSV 技術有所布局。長電科技的 XDFOI技術平臺有 TSV less 和 TSV 方案。通富微電 2021 年在高性能計算領域建成了 2.5D/3D 封裝平臺（VISionS） 及超大尺寸 FCBGA 研發平臺，并完成高層數再布線技術開發，可為客戶提供晶圓 級和基板級 Chiplet 封測解決方案；在存儲器領域，多層堆疊 NAND Flash 及 LPDDR 封裝實現穩定量產，并在國內首家完成基于 TSV 技術的 3DS DRAM 封裝開 發。華天科技工業級 12 吋 TSV-CIS 產品已實現量產。晶方科技應用晶圓級硅通 孔（TSV）封裝技術，聚焦以影像傳感芯片為代表的智能傳感器市場，封裝的產品 主要包括 CIS 芯片、TOF 芯片、生物身份識別芯片、MEMS 芯片等，應用于智能手 機、安防監控數碼、汽車電子等市場領域。

3 TSV 制造流程及所需設備

3.1 TSV 制造流程