芯耀
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2月初，國內(nèi)光刻機(jī)巨頭上海微電子舉行國內(nèi)首臺2.5D/3D先進(jìn)封裝光刻機(jī)交付儀式，旋即也被美列入實(shí)體清單。目前上海微電子的最高工藝技術(shù)水平是90nm，主流產(chǎn)品是后端封測光刻機(jī)。而在“前道、后道和面板”三類光刻機(jī)中，最被卡脖子的是前道。
如果將芯片制造比作食品生產(chǎn)，前道是“食品”，后道是包裝，面板制造是“調(diào)味品”。如果沒有“食品”，其他價(jià)值為“0”。所以后道、面板的價(jià)值要通過性能優(yōu)良的前道芯片來體現(xiàn)。
“就算給圖紙，也造不出光刻機(jī)”；“就算舉全國之力發(fā)展半導(dǎo)體制造，也很難取得成功。”ASML高管和臺積電創(chuàng)始人張忠謀不止一次公開表示。目前看，前道工藝的突破幾乎沒有可能。
通羅馬的路不只一條
要做一件事，千萬別為自己設(shè)限，循規(guī)蹈矩來做，可以想很多種辦法，來達(dá)至成功。
就算是臺積電，也沒有一條道走到黑。自2015年，臺積電開始采用自研的InFO FOWLP封裝技術(shù)，在沿用16nm邏輯工藝前提下包攬了蘋果A10處理器的所有代工訂單，實(shí)現(xiàn)了40%的性能提升，延長了iPhone待機(jī)時(shí)間。
這標(biāo)志著基于硅中介層的3D先進(jìn)封裝技術(shù)逐漸走向半導(dǎo)體制造前沿，此后代工廠、ODM甚至基板廠商等產(chǎn)業(yè)鏈玩家都紛紛加入這條延續(xù)摩爾定律的賽道，無論是3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料、制造工藝和高帶寬海量數(shù)據(jù)應(yīng)用，先進(jìn)封裝都為半導(dǎo)體研究與發(fā)展打開了一扇大門。
不可否認(rèn)，國內(nèi)在2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)方面仍比較滯后，如何有效提高我國封裝技術(shù)水平，推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，把握新基建等重點(diǎn)應(yīng)用的歷史機(jī)遇？如何更有效地組織產(chǎn)業(yè)合作？如何進(jìn)一步降低先進(jìn)封裝成本，擴(kuò)大市場份額？來看看制造裝備、封裝設(shè)計(jì)、測試分析和行業(yè)應(yīng)用的頭部企業(yè)如何評說。
延續(xù)摩爾先進(jìn)封裝當(dāng)仁不讓
過去十年，國內(nèi)封裝技術(shù)飛速發(fā)展，包括工藝、裝備、材料分析和設(shè)計(jì)能力都在提升，EDA工具的開發(fā)和應(yīng)用也有很大進(jìn)展。但從國際最先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展來看，在延續(xù)摩爾定律特別是芯片級封裝技術(shù)方面，目前國際上主要以臺積電、英特爾、三星為代表，許多先進(jìn)封裝技術(shù)都是這些國際巨頭命名的，證明延續(xù)摩爾定律先進(jìn)封裝技術(shù)非常重要，也說明我國封裝技術(shù)水平還存在較大差距。
不過，如果說一直是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)落后環(huán)節(jié)的晶圓制造很難趕上，而封裝技術(shù)卻是大陸半導(dǎo)體行業(yè)與全球頂尖技術(shù)之間差距最小的環(huán)節(jié)。因?yàn)楦呙芏认冗M(jìn)封裝技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在互連技術(shù)的演變，即由點(diǎn)到面，再到3D堆疊，密度越來越高。
高密度先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)展
當(dāng)然，在國際主流晶圓廠入局先進(jìn)封裝后，封裝技術(shù)的差距也有進(jìn)一步拉大的趨勢。在此情形下，本土晶圓廠和封測廠如何追趕先進(jìn)封裝工藝，已成為半導(dǎo)體行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
如何改變先進(jìn)封裝滯后局面？
上面說過，2.5D、3D臺積電引領(lǐng)，還有英特爾和三星；國內(nèi)封測廠商長電科技、華天科技和通富微電排在后面，已有相應(yīng)的技術(shù)積累。很多人覺得，這樣已經(jīng)很好了，國家不用再投入資金研發(fā)，但實(shí)際上最前端技術(shù)還有很大差距。從先進(jìn)制造走向先進(jìn)封裝，需要很強(qiáng)悍的制造能力，特別是在0.25μm線寬，像TSV（硅通孔）和RDL（再布線）是封裝廠難以企及的，還有有源芯片TSV的實(shí)現(xiàn)、高性能CPU做中介層、Chiplet方案都在開發(fā)和推動，國內(nèi)也都相對滯后。
當(dāng)前，由于具靈活、高密度、適于系統(tǒng)集成，2.5D/3D TSV以及FO（扇出）封裝已成為先進(jìn)封裝的核心技術(shù)。TSV通孔及UBM（凸點(diǎn)下金屬層）/RDL等制程工藝在晶圓級封裝中已廣泛使用。
具體到高端部分，尤其要考慮未來技術(shù)的趨勢。首先，晶圓級封裝裝備方面的國際差距相對較小，在早期02專項(xiàng)支持下，本土裝備有非常好的基礎(chǔ)，將2.5D、3D TSV技術(shù)用到了前道工藝，前道和中道工藝也在不斷融合。當(dāng)然，尺寸越來越小，甚至到亞微米，深寬比也越來越高，確實(shí)面臨一些挑戰(zhàn)。
制造裝備首先要從全球視野出發(fā)，對新技術(shù)有敏感性和前瞻性，看到跟國際的差距，雖然前道工藝有基礎(chǔ)，但封裝有其特殊性，比如不同晶圓襯底的把控、有機(jī)物的處理，需要在前道基礎(chǔ)上很快整合現(xiàn)有技術(shù)，很快響應(yīng)客戶需求。至于產(chǎn)業(yè)化，需要上下游一起緊密配合，才能推到量產(chǎn)。
在設(shè)計(jì)思路方面，可以借鑒很有特色的封裝結(jié)構(gòu)，比如一般做2.5D是硅基板，現(xiàn)在有一些廠商在有源2.5D中嵌入一些常規(guī)模塊，再和芯片集成，有點(diǎn)像純3D，又不太一樣，是在硅基板中嵌入常規(guī)模塊的有源硅基板。一些EDA工具可以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)思路。封裝級重構(gòu)是從傳統(tǒng)封裝到先進(jìn)封裝或SiP，變化非常大，在封裝級別組合多個(gè)芯片形成一個(gè)SiP，其定義非常靈活，可以做各種各樣的事情。
臺積電、英特爾能做的東西覆蓋不是很廣，目前主要做的是高密度互連處理器，國內(nèi)還有更多芯片可以集成為系統(tǒng)。至于功能密度，是在一個(gè)體積內(nèi)集成更多的功能單元，比如14nm結(jié)合先進(jìn)封裝技術(shù)就能媲美7nm工藝的產(chǎn)品，這是從整個(gè)系統(tǒng)封裝產(chǎn)品來定義的。所雖然國內(nèi)在最頂端工藝上不如頂級廠商，但通過封裝級別的靈活設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品性能并不會比他們差。
從產(chǎn)值來講，臺積電在代工方面引領(lǐng)市場，但在技術(shù)方面美國還是領(lǐng)先。1958年，晶體管發(fā)明人William Shockley在其專利中就提到過TSV的制備方法。上世紀(jì)90年代末，香港應(yīng)用技術(shù)研究院才提出這種方法，臺積電在1998年申請了相關(guān)美國專利，關(guān)于TSV技術(shù)的最早論文發(fā)表于2000年。之后英特爾、IBM都做了很多研究，特別是在Chiplet、芯片異構(gòu)集成封裝技術(shù)等方面。現(xiàn)在中國面臨的問題是怎么解決技術(shù)和市場滯后的問題，目前在整個(gè)封裝市場中國大陸占21%左右，但先進(jìn)封裝還不到6%，所以落后顯而易見。
2020年按地理區(qū)域劃分封測廠商收入
而要解決這個(gè)問題，第一要重視人才，要有一流的科學(xué)家，所以需要大學(xué)、研究所和企業(yè)合作，取長補(bǔ)短?，F(xiàn)在國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)已不輸國外，如分析測試、材料分析、可靠性分析。另外像長電科技與中芯國際的合作，形成了制造前后段合作伙伴關(guān)系，而這些企業(yè)，包括北方華創(chuàng)又是勝科納米的客戶，可以有效支持量產(chǎn)計(jì)劃。第二要認(rèn)識差距，不能有一些成績就說趕上了國外，客戶市場和需求很重要，搞3D封裝一定要有先進(jìn)晶圓制造做基礎(chǔ)，然后封裝跟上，才能挑戰(zhàn)摩爾定律，所以要強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，加強(qiáng)合作。
產(chǎn)業(yè)合作需要更進(jìn)一步
國內(nèi)02專項(xiàng)還有封測聯(lián)盟對封裝行業(yè)發(fā)展起到了一定推動作用，國家科學(xué)技術(shù)獎封測龍頭榜上有名，也是十年來幾家緊密合作的結(jié)果。未來產(chǎn)業(yè)合作的效率還要進(jìn)一步提高。特別是裝備企業(yè)應(yīng)該和一些有很多資源的高校、研究所合作，吸引非常著名或非常有研究水平的科研機(jī)構(gòu)為我所用，將研究成果導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)；另外，EDA工具也需要與產(chǎn)業(yè)合作，進(jìn)一步快速應(yīng)用在封測領(lǐng)域。另外，在這一過程中，一定要有大型產(chǎn)品企業(yè)來推動事情的發(fā)生。
目前在產(chǎn)業(yè)合作方面大家互動比較多，但主要是出于自己的需求或看到市場機(jī)會，比如裝備企業(yè)希望往下游走，需要做一些驗(yàn)證，會主動找一些上下游合作伙伴；又如材料類，光刻膠企業(yè)也會用光刻機(jī)做一些工藝，驗(yàn)證后道流片材料的特性。未來，希望有產(chǎn)業(yè)鏈平臺組織產(chǎn)業(yè)界更多的討論，從應(yīng)用需求出發(fā)研討一些要攻克的題目，將相關(guān)上下游合作伙伴拉進(jìn)來，設(shè)定一個(gè)目標(biāo)和環(huán)節(jié)，逐步推進(jìn)要。
產(chǎn)業(yè)合作首先是滿足工藝要求，但設(shè)計(jì)需求和思路是由Fabless（設(shè)計(jì)公司）設(shè)計(jì)的，首先要有需求，還要有EDA工具，然后才是制造廠對技術(shù)的支撐，所以產(chǎn)業(yè)合作應(yīng)該包括晶圓廠、封測和系統(tǒng)廠商。在SiP先進(jìn)封裝中很重要一點(diǎn)是系統(tǒng)廠商，比如蘋果，它有這樣的需求，要做這樣一個(gè)產(chǎn)品，才去找這些有工藝能力的廠商幫它生產(chǎn)。EDA也是為了支持用戶的想法和需求，利用EDA設(shè)計(jì)形成的生產(chǎn)文件、光罩或先進(jìn)封裝圖形，滿足Fabless的設(shè)計(jì)想法，再由晶圓廠、封測廠去實(shí)現(xiàn)。
有效加強(qiáng)聯(lián)合特別重要，尤其是3D封裝必須要以先進(jìn)的晶圓制造為基礎(chǔ)，加上設(shè)備商提供的設(shè)備，先進(jìn)制造、晶圓制造和封裝結(jié)合起來，中芯國際和長電的聯(lián)合做了表率。新加坡是除了中國臺灣和韓國以外的另一個(gè)重鎮(zhèn)。勝科納米新加坡實(shí)驗(yàn)室一直為一些國際半導(dǎo)體巨頭（高通、博通、英飛凌等），還有應(yīng)用材料公司做配套服務(wù)，積累了相當(dāng)豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可以首先拿到最先進(jìn)的樣品，支持先進(jìn)封裝、材料分析、失效分析和可靠性分析。
以前一說卡脖子就是光刻機(jī)，實(shí)際上卡脖子的東西還很多，像分析測試儀器，假如有一天國外不賣了，不給材料、配件，沒有國產(chǎn)儀器跟它匹敵，也會很難。因此，必須認(rèn)識到差距，團(tuán)結(jié)合作，補(bǔ)齊我們的短板。
把握應(yīng)用方面的歷史機(jī)遇
5G作為新基建的重要方向，為先進(jìn)封裝帶來了歷史機(jī)遇。雖然我國在芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、模塊很多領(lǐng)域還比較落后，如果我們跟臺積電PK CoWoS的線寬是沒有任何優(yōu)勢的。臺積電去年發(fā)布的先進(jìn)CoWoS封裝技術(shù)路線圖顯示，2023年將結(jié)合Chiplet與HBM3推出第5代CoWoS封裝技術(shù)，有望將晶體管數(shù)量翻至第3代封裝解決方案的20倍。
臺積電先進(jìn)CoWoS封裝技術(shù)路線圖
但5G應(yīng)用并不像計(jì)算邏輯封裝技術(shù)CoWoS需要高精尖的線寬。特別是在射頻領(lǐng)域，采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)是有很多機(jī)會的。因?yàn)?G射頻器件恰恰需要封裝集成、協(xié)同設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、工程驗(yàn)證和量產(chǎn)服務(wù)等方面的合作優(yōu)勢。
針對5G射頻濾波器先進(jìn)封裝，裝備企業(yè)不能閉門造車，要和下游企業(yè)綁定在一起，尤其是和細(xì)分領(lǐng)域走在前沿的下游企業(yè)緊密合作，一起做聯(lián)合裝備、工藝研發(fā)。另外也要研究行業(yè)，提前做一些技術(shù)儲備。目前，在5G方面北方華創(chuàng)不僅提供封裝設(shè)備，芯片制程方面也有全面的裝備和工藝布局，包括BAW和SAW濾波器、射頻芯片和化合物芯片。
國產(chǎn)EDA目前是從點(diǎn)工具開始做，在某些射頻頻段都是點(diǎn)布局，目前還能很難形成全流程。5G的頻仿真并不需要做整個(gè)系統(tǒng)，只在某些局部區(qū)域進(jìn)行仿真分析，以得到最佳結(jié)果，所以對國產(chǎn)EDA來說是一個(gè)機(jī)會。比如芯和半導(dǎo)體的EDA從芯片、封裝到系統(tǒng)仿真全覆蓋，其IPD（集成無源器件）濾波器產(chǎn)品累計(jì)出貨量已超10億顆。又如合見工軟的EDA工具能夠在不需要整個(gè)流程的前提下在某些點(diǎn)具有一定優(yōu)勢。
關(guān)于非常復(fù)雜的5G模塊化測試分析問題，現(xiàn)在人工智能與5G高性能計(jì)算同步發(fā)展，呈現(xiàn)出兩高三低：高性能、高帶寬、低延時(shí)、低功耗、低成本。講到歷史機(jī)遇，現(xiàn)實(shí)是，臺積電發(fā)布的2021年第四季度財(cái)報(bào)顯示，其7nm及以下制程貢獻(xiàn)營收達(dá)到一半。2021年全年，臺積電7nm以上制程占比繼續(xù)減小，而7nm營收占比上漲2%，5nm占比提升最大，2021年底達(dá)到19%，3nm已接近量產(chǎn)，2nm明年開始。
要應(yīng)對摩爾定律的挑戰(zhàn)，國內(nèi)需要利用先進(jìn)封裝加快趕上。作為失效分析和可靠性分析支持以及輔助研發(fā)提供商，勝科納米希望與行業(yè)配合，讓客戶體驗(yàn)到Labless的成本優(yōu)勢，用上最新的技術(shù)、最好的專家、最好的分析設(shè)備和服務(wù)。
寫在最后：關(guān)鍵賽道的機(jī)會
國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)將先進(jìn)封裝放到非常重要的位置，因?yàn)橄冗M(jìn)封裝已成為超越摩爾定律的關(guān)鍵賽道，無論是延續(xù)摩爾定律還是超越摩爾定律都離不開先進(jìn)封裝，國際頭部企業(yè)也是如此。但是，先進(jìn)封裝道路并非一帆風(fēng)順，認(rèn)識到差距，不怕有差距，才能不斷追趕。
先進(jìn)封裝可能是下一次芯片產(chǎn)業(yè)洗牌的開端，蘊(yùn)含著對中國自主高端芯片的機(jī)會。未來驅(qū)動芯片行業(yè)持續(xù)發(fā)展的是EDA工具軟件，特別是聚焦型軟件；2.5D、3D先進(jìn)封裝技術(shù)同樣也有挑戰(zhàn)，而把握不同功能、不同尺寸、不同工藝、不同襯底的靈活封裝可能是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵；同時(shí)也要利用失效分析來提升半導(dǎo)體先進(jìn)封裝的良率，實(shí)現(xiàn)降本增效。
