技经观察丨芯片3D封装延续摩尔定律的重要技术方向之一

　　芯片3D封装技术，又称为叠层芯片封装技术，是指在不改动封装体尺寸的前提下，在一个封装体内的垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。近年来，支撑3D封装的关键技术硅通孔（Through Silicon Via，TSV）不断获得突破，国际芯片巨头加快布局，以TSV为核心的3D封装技术已成为业界公认的新一代封装技术的重要发展方向。在后摩尔时代，如何结合我国芯片封装产业优势，发力3D封装关键共性技术，以抢占机遇实现逆势突围，是十分值得探究的问题。
　　一、芯片发展迈入后摩尔时代
　　长期以来，芯片制程微缩技术一直驱动着摩尔定律的延续。从1987年的1um制程到2015年的14nm制程，芯片制程迭代速度一直遵循摩尔定律的规律，即芯片上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。但2015年以后，芯片制程的发展速度进入了瓶颈期，7nm、5nm制程的芯片量产进度均落后于预期。全球领先的晶圆代工厂台积电3nm制程芯片量产遇阻，2nm制程芯片的量产更是排到了2024年后，芯片制程工艺已接近物理尺寸的极限1nm，芯片产业迈入了后摩尔时代。
　　在后摩尔时代，芯片的发展逐渐演化出了不同的技术方向。其中之一的＂More Moore＂方向，主要是研发新方法沿着摩尔定律的道路继续向前推进，不断缩小芯片制程。而另一个方向则是＂More than Moore＂（超越摩尔），主要是发展之前摩尔定律演进过程中未开拓的技术方向。先进封装便是超越摩尔技术方向的一种重要实现路径。
　　来源：ARM
　　二、封装技术概况
　　芯片封装是芯片成品至关重要的一步，在过去，封装定义为保护电路芯片免受周围环境的影响，包括来自物理、化学方面的影响。随着芯片技术的不断发展，封装技术在提高芯片性能方面也开始扮演了重要的角色。
　　据《中国半导体封装业的发展》报告，迄今为止全球芯片封装产业可分为五个发展阶段，自第三阶段起的封装技术统称为先进封装技术。第一阶段是20世纪70年代的元件插装，特点是用针脚引出电极连通电信号，主要包括直插型封装（DIP）等技术。第二阶段是20世纪80年代的表面贴装，特点是用更细更短板的引线代替针脚，直接贴装至印刷电路板（PCB），主要包括小外形封装（SOP）等技术。第三阶段是20世纪90年代的面积阵列封装，特点是用体积更小的焊球点代替引线，通过芯片倒扣的方式进行倒装以提升晶体管密度，主要包括球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、晶圆级封装（WLP）等技术。第四阶段是20世纪末的异质整合，特点是将不同类型、功能的芯片整合在同一个封装体内，主要包括多芯片组封装（MCM）、系统级封装（SiP）等技术。第五阶段是21世纪初的3D堆叠，特点是将多个芯片在垂直方向上进行封装，主要包括倒装芯片（Flip Chip）、硅通孔（TSV）等技术。
　　随着芯片产业的迅速发展，芯片间数据交换也在成倍增长,传统的芯片封装方式已经不能满足巨大的数据量处理需求。另外，随着＂More Moore＂技术路线逐步进入物理极限，制程工艺提升放缓，以3D堆叠封装为代表的先进封装技术将成为未来的重要发展方向。例如，苹果公司在2022年春季推出的M1 Ultra芯片就是通过UltraFusion 3D封装架构将两个M1 Max芯片互联，打造出一款M1系列史上性能最强的SoC芯片。近年来，支撑3D封装的关键技术TSV不断获得突破，国际芯片巨头加快布局，以TSV为核心的3D封装技术已成为业界公认的新一代封装技术的重要发展方向。
　　三、3D封装技术发展现状
　　芯片3D封装，又称为叠层芯片封装技术，是指在不改动封装体尺寸的前提下，在一个封装体内的垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。近二十年来，3D封装沿着封装堆叠及IC裸芯片焊接（键合）技术方向经历了三个重要的技术工艺阶段：丝焊技术工艺、倒装芯片技术工艺和通孔技术工艺，其中通孔技术工艺中的TSV技术被称为第四代封装技术。
　　TSV技术可以穿过硅基板实现硅片内部垂直电互联，这项技术是目前唯一的垂直电互联技术，是实现3D先进封装的关键技术之一。TSV采用金属-金属键合和高分子粘结键合技术，通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充进行硅通孔的垂直电互连，从而实现晶圆堆叠、芯片堆叠。TSV技术通过垂直互连减小了芯片间互联长度和信号延迟，降低了电容，实现了芯片间的低功耗和高速通讯，大幅提升了提升芯片性能，是解决摩尔定律失效的重要技术之一。全球政府机构和科技巨头已加大对3D封装技术的重视力度，并进行早期布局。
　　美国DARPA的NGMM项目。2022年8月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）宣布设立＂下一代微电子制造＂（NGMM）研究项目。该项目旨在创建一个三维异构集成（3DHI）设计与工艺研究公共平台，其中TSV技术是其重要的研究方向。DARPA表示，微电子制造的下一个主要浪潮将需要不同材料和组件的异构集成，不同来源、不同功能乃至不同材料的器件堆叠封装，将有可能实现功能与性能的革命性改进。
　　来源：DARPA
　　台积电3D Fabric联盟。2022年10月，台积电宣布成立3D Fabric联盟，以推动3D半导体发展，目前已有19个合作伙伴同意加入，包括美光、三星、SK海力士等，这是台积电在开放创新平台（OIP）中首次邀请芯片封装厂商作为伙伴加入。台积电表示，3D Fabric联盟将协助客户实现芯片系统级创新的快速迭代，并采用台积电完整的3D硅堆叠先进封装等技术来满足下一代芯片的性能需求。
　　来源：TSMC
　　三星X-Cube 3D封装技术。2020年8月，三星公布了其名为＂eXtended-Cube＂的3D封装技术，简称＂X-Cube＂。该技术采用TSV进行芯片间垂直互联，能大幅缩短裸芯片间的信号距离，提高数据传输速度和降低功耗。2022年10月，三星电子代工业务总裁Si-young Choi在三星晶圆代工论坛上表示，三星采用微凸块连接的X-Cube 3D封装技术将在2024年做好大规模量产的准备，无凸块的X-Cube封装技术将在2026年问世。
　　来源：Samsung
　　四、3D封装技术的挑战和前景
　　在后摩尔时代，随着芯片制程工艺逐渐逼近物理尺寸极限，3D封装技术正成为提升芯片集成度和性能的重要技术路线，这将推动半导体价值链向后道工艺移动。同时，3D封装技术对于芯片架构具有革命性的影响，这种影响将会传递到整个芯片产业链，并引起产业链中前道工艺和后道工艺协作机制的变化。比如，在3D封装技术路线的影响下，芯片设计将不再是单芯片设计问题，而是将逐渐演变成更为复杂的多芯片系统设计工程，还会对电子设计自动化（EDA）算法引擎提出更高的要求。
　　目前，我国芯片产业发展迅速，封装技术发展接近国际先进水平，但芯片产业发展主导能力有待加强。未来，我国应在先进封装领域强化政府引导作用，构建以关键共性技术为突破点的支持政策体系，实现逆势突围，提高芯片产业的竞争力。
　　参考资料：
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　　[11]萨科微，3D封装将成为主要工艺！芯片巨头决战先进封装！[EB/OL]. https://www.slkormicro.com/other-else-63359/53725.html
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　　作者简介
　　刘纪铖国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究二室，助理分析员
　　研究方向：信息领域战略、技术和产业前沿
　　联系方式：liujc206@163.com
　　作者简介
　　唐乾琛国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究二室，三级分析员
　　研究方向：信息领域战略、技术和产业前沿
　　联系方式：tangqc96@163.com
　　编辑丨郑实
　　研究所简介
　　国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。＂全球技术地图＂为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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