手機(jī)芯片開始角逐先進(jìn)封裝

作者：鵬程

日前，華為發(fā)布了闊折疊手機(jī)PuraX，引發(fā)行業(yè)熱烈關(guān)注。而就在最近的拆解視頻中顯示，剛開賣的手機(jī)拆出來的芯片，比原來厚了一大截。華為Pura X搭載的麒麟9020芯片采用全新一體式封裝工藝。

拆解視頻顯示，麒麟9020封裝方式從夾心餅結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱薙oC、DRAM一體化封裝，暫時(shí)還不清楚是CoWoS還是InFO-PoP，亦或者其他封裝形式。但無論如何，這又是國內(nèi)先進(jìn)封裝能力的又一次展現(xiàn)。國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)廠、封裝廠和內(nèi)存廠的相互協(xié)同已經(jīng)初現(xiàn)端倪。

據(jù)了解，蘋果手機(jī)SoC此前便已經(jīng)采用了類似的先進(jìn)封裝技術(shù)，將DRAM垂直堆疊在了SoC上方，即臺(tái)積電的PoP。只不過SoC本身仍然是單個(gè)整體芯片。

?01蘋果采用的PoP和InFO-PoP封裝是什么？

當(dāng)蘋果公司的iPhone在2007年亮相時(shí)，隨即便被拆開展現(xiàn)在眾人面前，層疊封裝技術(shù)進(jìn)入了人們的視野。PoP曾經(jīng)是眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。然而有相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)PoP消失了。之后，更先進(jìn)的手機(jī)將處理器和存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，PoP又成為這類手機(jī)的封裝選擇方案。

層疊封裝（Package on Package，PoP）是一種集成電路封裝技術(shù)，它將兩個(gè)或多個(gè)芯片封裝在一起，形成一個(gè)整體。這種封裝技術(shù)通常用于移動(dòng)設(shè)備和其他小型電子設(shè)備中，以節(jié)省空間并提高性能。在PoP中，一個(gè)芯片被放置在另一個(gè)芯片的頂部，形成一個(gè)層疊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以通過焊接或其他連接技術(shù)進(jìn)行連接。通常，上層芯片是處理器或存儲(chǔ)器，而下層芯片是DRAM或其他類型的存儲(chǔ)器。

而InFO（全稱為Integrated Fan-Out，意為集成式扇出型封裝）技術(shù)則是臺(tái)積電于2016年推出的一種技術(shù)。InFO-PoP即表示InFO封裝對PoP封裝的配置。InFO?技術(shù)是將芯片直接放置在基板上，通過RDL（Re-distributed layer，重布線層）實(shí)現(xiàn)芯片和基板的互連，無需使用引線鍵合，RDL在晶圓表面形成，可以為鍵合墊片重新分配更大的間距，從而允許更多的I/O連接，實(shí)現(xiàn)更緊湊和高效的設(shè)計(jì)。

晶圓級封裝一般需要RDL工藝，因?yàn)榫A上的焊盤大部分是鋁焊盤，無論是做晶圓級封裝還是板級封裝，鋁金屬不易做后續(xù)處理，都需要用另外的金屬來覆蓋鋁。RDL是將原來設(shè)計(jì)的芯片線路接點(diǎn)位置(I/O pad)，通過晶圓級金屬布線制程和凸塊制程改變其接點(diǎn)位置，同時(shí)滿足焊球間最小間距的約束。

InFO技術(shù)在2016年的蘋果A10芯片上得到應(yīng)用，并衍生出新的技術(shù)應(yīng)用：InFO-oS、InFO-LSI、InFO-PoP以及InFO-AiP等。

InFO-oS技術(shù)可集成多個(gè)高級邏輯芯片，在封裝內(nèi)部實(shí)現(xiàn)更高的集成度，適用于5G組網(wǎng)應(yīng)用。InFO-LSI技術(shù)類似于英特爾的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)極致的互連帶寬和成本的折中，其利用硅基互連的方式實(shí)現(xiàn)不同芯片層之間的連接。該技術(shù)允許在同一封裝內(nèi)部進(jìn)行高速信號傳輸，從而提高了系統(tǒng)的性能和功耗效率。InFO-LSI技術(shù)適用于需要高速信號傳輸和通信的應(yīng)用領(lǐng)域，如高性能計(jì)算、人工智能、通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域通常需要在封裝層內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和通信，因此，InFO-LSI?技術(shù)具有重要意義。InFO-PoP?技術(shù)是一種將InFO?與PoP?相結(jié)合的技術(shù)。這種技術(shù)通常用于需要同時(shí)集成多個(gè)芯片的應(yīng)用場景，如移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更多的功能。InFO-AiP?技術(shù)是一種在InFO?封裝中集成天線的技術(shù)。這種技術(shù)可以將天線直接集成在封裝中，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)和更好的信號傳輸性能。InFO-AiP?技術(shù)通常用于移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和通信設(shè)備等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的無線連接性能。

?02、InFO-PoP封裝優(yōu)勢明顯

2016年推出的iPhone 7中的?A10處理器，采用TSMC 16nm FinFET?工藝以及?InFO（Integrated Fan-out）技術(shù)，成功將AP與LPDDR整合在同一個(gè)封裝中，為未來幾年的移動(dòng)封裝技術(shù)立下新的標(biāo)桿。InFO封裝也成為臺(tái)積電獨(dú)占蘋果A系列處理器訂單的關(guān)鍵技術(shù)之一。在這一年，能量產(chǎn)InFO封裝的也僅TSMC一家。多年來，蘋果A系列處理器與DRAM都是采用臺(tái)積電InFO-PoP封裝技術(shù)封裝在一起，將DRAM頂部封裝上的凸塊利用貫穿InFO過孔（TIV）到達(dá)RDL層，再與邏輯芯片互聯(lián)，以減小整體的芯片尺寸，減少占板面積，時(shí)確保強(qiáng)大的熱和電氣性能。

那么這種技術(shù)帶來了哪些優(yōu)勢呢？

這種技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是其靈活性，因?yàn)?DRAM?封裝可以很容易地更換。此外，由于芯片被層疊在一起，PoP技術(shù)可以節(jié)省空間，使設(shè)備更小更輕。由于芯片之間的連接更短，還可以提高芯片性能并減少延遲。

由于InFO引入了RDL層，芯片設(shè)計(jì)者可以通過對RDL的設(shè)計(jì)代替一部分芯片內(nèi)部線路的設(shè)計(jì)，從而降低設(shè)計(jì)成本；采用RDL能夠支持更多的引腳數(shù)量；采用RDL還使I/O觸點(diǎn)間距更靈活、凸點(diǎn)面積更大，從而使基板與元件之間的應(yīng)力更小、元件可靠性更高；RDL層使用了高分子聚合物(Polymer)為基礎(chǔ)的薄膜材料來制作，可以取代封裝載板，節(jié)約成本；RDL還可以把不同種類的芯片連接在一起，實(shí)現(xiàn)多芯片封裝互連。

?03手機(jī)芯片開始角逐先進(jìn)封裝

蘋果是較早引入先進(jìn)封裝的手機(jī)芯片商，其一直致力于將先進(jìn)封裝技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)芯片。主要是因?yàn)椋?/p>

蘋果一直和臺(tái)積電先進(jìn)封裝有深度合作研發(fā)，也總是首批采用最先進(jìn)制程的高凈值客戶。蘋果比別家更有迫切需求采用先進(jìn)封裝技術(shù)壓低成本。尤其是3nm流片和晶圓成本已經(jīng)一倍于5nm，2nm成本繼續(xù)翻一倍還不止，就是再高凈值客戶，也無法承受了。

蘋果的M1?Ultra?芯片首次實(shí)現(xiàn)了GPU內(nèi)部高速通信表明，在SoC層面，蘋果也有比較高效的D2D通信協(xié)議和物理層設(shè)計(jì)，這走在了ARM陣營的前面，未來應(yīng)用到手機(jī)SoC會(huì)比別家更容易。而這也需要先進(jìn)封裝的支持，蘋果甚至還創(chuàng)新定制了封裝架構(gòu)UltraFusion。

此外，蘋果有更強(qiáng)的IP復(fù)用需求。蘋果芯片覆蓋手機(jī)、平板、筆記本和工作站，同時(shí)像基帶和wifi控制器等IP又來自高通、博通，但隨著蘋果自研基帶的推出，后續(xù)可能會(huì)逐步將這些模塊替換為自研的。這勢必也要求將SoC各個(gè)模塊做成可復(fù)用、可更換的，來確保成本。這種情況下，Chiplet封裝工藝更具有優(yōu)勢。

目前來看，安卓陣營也在逐漸走向這一趨勢。無論是代工成本的考量，還是PC芯片的IP復(fù)用需求都需要先進(jìn)封裝的支持。

國內(nèi)手機(jī)芯片廠商也在和下游廠商深度合作開發(fā)相關(guān)技術(shù)。實(shí)際上此前一家國內(nèi)知名的手機(jī)SoC設(shè)計(jì)公司便公開了一種芯片堆疊封裝及終端設(shè)備專利，申請公布號為CN114287057A，可解決因采用硅通孔技術(shù)而導(dǎo)致的成本高的問題。專利摘要顯示，該專利涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，其能夠在保證供電需求的同時(shí)，解決因采用硅通孔技術(shù)而導(dǎo)致的成本高的問題。這有利于進(jìn)一步降低先進(jìn)封裝的成本。

另外，今年五月份將推出的鴻蒙PC，同樣有很強(qiáng)的IP復(fù)用需求。而高通也一直在謀劃進(jìn)入AIPC的賽道，此前還曾推出驍龍X Elite。

?04蘋果或放棄封裝堆疊內(nèi)存？

不過，有消息稱，從2026年開始，蘋果將在iPhone 18系列中放棄現(xiàn)有的封裝堆疊內(nèi)存（PoP）設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而采用芯片與內(nèi)存分離的架構(gòu)。

一直以來，蘋果在硬件設(shè)計(jì)上的追求可以用“精致極簡”來形容。無論是iPhone、iPad還是Mac，它們內(nèi)部的芯片和內(nèi)存多采用封裝堆疊技術(shù)。雖然對于寸土寸金的移動(dòng)設(shè)備來說，封裝堆疊技術(shù)能減少芯片面積、縮短內(nèi)存與主芯片之間的物理距離，從而降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高電源效率。但PoP技術(shù)也有其局限性。由于內(nèi)存封裝尺寸受到SoC（系統(tǒng)級芯片）尺寸的限制，這直接影響到I/O引腳的數(shù)量，進(jìn)而限制了數(shù)據(jù)傳輸速率和性能。這一點(diǎn)，在面對高帶寬需求的人工智能運(yùn)算時(shí)，表現(xiàn)得尤為明顯。

消息稱，蘋果計(jì)劃在iPhone 18中采用芯片與內(nèi)存分離的設(shè)計(jì)，顯然是一次為性能服務(wù)的妥協(xié)。這種分離設(shè)計(jì)雖然在物理距離上拉長了內(nèi)存和芯片之間的傳輸路徑，但它也解鎖了更多的I/O引腳，能極大地提升數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬。

據(jù)悉，蘋果正在與三星合作開發(fā)下一代LPDDR6內(nèi)存技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬預(yù)計(jì)是目前LPDDR5X的2至3倍。如此高的性能提升，對于日益依賴本地AI計(jì)算的智能手機(jī)來說無疑是個(gè)巨大的利好。無論是AI實(shí)時(shí)翻譯、圖像識別，還是更加智能化的Siri，這些場景都需要更高的內(nèi)存帶寬來支持更快的數(shù)據(jù)吞吐量。

此外，分離設(shè)計(jì)還有助于散熱優(yōu)化。相比于堆疊封裝的設(shè)計(jì)，內(nèi)存與SoC物理分離后，每個(gè)組件的散熱效率將得到提升，降低芯片過熱導(dǎo)致的性能瓶頸。

不過這并不代表蘋果將放棄先進(jìn)封裝，而是可能采取更合適的先進(jìn)封裝技術(shù)。