如果我們要用一個詞來形容我們的未來，那就是“以數據為中心”。

如今，幾乎每個行業的各個層面都出現了數據爆炸式增長。每一秒，我們的數字世界都會產生 4,000 TB 的數據，而且這個數量預計只會在未來增加。

機器學習和人工智能等數據豐富的應用程序是數據中心、5G 和自動駕駛汽車等廣泛應用程序的關鍵數據推動因素。要運行這些應用程序，需要一個強大的處理器，其基礎是基于 Si 的集成電路 (IC)。

幾十年來，英特爾等 IC 供應商設計的芯片將所有功能都集成在同一芯片上，然而，隨著業界看到摩爾定律的放緩（芯片密度不再每兩年翻一番），單片 IC 的微縮成為越來越困難和昂貴。這將 IC 供應商推向“先進的半導體封裝”。

先進封裝登場，技術路線“誰主沉浮”

2000年以來，集成電路封裝從括球柵陣列封裝、倒裝芯片封裝等轉入更為復雜的封裝結構“陣地”，雨后春筍般涌現出以晶圓級封裝(WLP) 、系統級封裝(SiP) 、硅通孔(TSV)、2.5D/3D封裝、嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）等為代表的先進封裝技術。

時至2023年，“百花齊放”的先進封裝技術中，哪些會成為主流？

芯徳科技技術副總張中說：“個人觀察，目前晶圓級封裝（WLP）出貨量仍然是最大的，在市場逐步恢復后，中國大陸封裝廠月出貨量可達億級規模。如果從今后趨勢判斷，我們傾向于以Chiplet為理念的2.5D/3D封裝會成長為主要的先進封裝形式。”

據悉，晶圓級封裝（WLP）主要有Fan-in（扇入式）、Fan-Out（扇出式）兩種類型。其與傳統封裝不同之處在于，封裝過程中大部分工藝都是對晶圓進行操作，即在晶圓上進行整體封裝，封裝完成后再切割分片，符合輕、小、短、薄化市場趨勢。

英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強指出，眾多先進封裝技術中，硅通孔（TSV）是實現3D先進封裝的重要技術，目前還在探索TDV絕緣層穿孔技術，在微小尺度下比TSV擁有更好的供電能力和信號完整性。2.5D、3D先進封裝技術的發展，也是為實現SiP系統級封裝，將不同功能、不同制程的芯片更好地集成在一個大封裝里。先進封裝技術要想在半導體行業成為主流，需要依靠在產品中的大規模使用來提高性價比，目前英特爾產品已在應用2.5D和3D先進封裝技術。

某權威咨詢機構資深分析師趙玉（化名）表示，技術市場驅動著2.5D、3D封裝向著先進封裝主流技術發展，尤其在人工智能的推動下。此外，就現階段來看，Fan-Out在小尺寸封裝里也是不錯的選擇。

此外，隨著先進封裝技術不斷發展，尤其晶圓級封裝產業規模持續提高，與芯片設計、制造業的協同發展顯得更加重要。而晶圓級封裝的出現讓晶圓廠和封裝廠之間的界限“模糊不明”，為臺積電、英特爾和三星等企業提供了在先進封裝“舞臺”上展示實力的機會。

宋繼強對此表示，更高級的封裝技術的應用，對封裝廠設備、原材料、潔凈度等要求都在向晶圓廠靠攏。譬如英特爾將很多原來封裝廠的工作轉移到晶圓廠進行，系統性地使用無機材料替換有機材料，采用先進的銅填充與平整技術，讓先進封裝所需的制造流程更容易與晶圓廠整合，例如3D先進封裝就主要由晶圓廠在做，“當然，先進封裝的不斷發展，和其它半導體技術一樣，絕非一家或幾家企業就能實現的，而需要整個行業的開放協作，以產業界、學術界的深度融合。”


“HPC+AI”為先進封裝不斷注入內驅力

近年來，先進封裝的內驅力已從高端智能手機領域逐步轉向高性能計算（HPC）、人工智能（AI）等，涉及高性能處理器、存儲器、人工智能訓練和推理等。

就“人工智能在推動先進封裝技術發展上將起到怎樣作用”這一問題，芯和半導體副總裁倉巍回應，從人工智能（如ChatGPT）的角度來看，高性能計算將會是實現這一技術突破的關鍵基礎。算力是人工智能發展的技術保障，是人工智能發展的動力和引擎。當摩爾定律接近物理極限，通過SoC單芯片的進步已經很難維系更高性能的HPC，整個系統層面的異構集成先進封裝將成為半導體高速增長的最重要引擎之一。

“越來越多的系統公司開始垂直整合，自研芯片已成為新的風潮，從系統最終應用的角度倒退規劃異構集成中的所有芯片和先進封裝設計，進行協同設計和仿真分析，這些趨勢對EDA構成巨大挑戰。為填補異構集成設計分析這一市場空白，國際領先的EDA廠商都在開發前所未有的EDA解決方案，也給了國產EDA彎道超車的最佳時機。”倉巍說道。

芯徳科技技術副總張中表示，人工智能推動先進封裝技術發展是毫無疑問的。以ChatGPT為例，其對算力要求高，需要高性能芯片支持。而當前實際處理 ChatGPT的GPU就是英偉達的HGX A100，其依托2.5D/3D封裝技術實現，發揮出最優性能。

伴隨AI快速發展，AI大模型的參數量已達到萬億級，其能力不斷增強的同時，訓練和推理亟需較大算力支持，這需要性能更強、功耗更低的芯片。

英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強指出，晶體管尺寸正逐漸逼近物理極限，在探索提高芯片算力的創新路徑中，先進封裝便是其中之一：一方面，先進封裝可不斷微縮互連間距，增加在單個設備內集成的晶體管數量；另一方面，利用先進封裝技術在一個封裝好的設備里構建完整的計算系統，令不同廠商生產的、基于不同制程的、不同功能的異構硬件（如CPU、GPU、FPGA、AI加速器等），經由高密度的互連集成在一起高效工作，通過異構計算進一步釋放算力。此外，由于AI大模型訓練和推理使用的數據量非常大，也亟需采用帶寬更高、能耗更優的數據傳輸模塊，如可以與計算、存儲芯片封裝在一起的集成光子模塊。


先進封裝的增長動力

IDTechEx 確定了先進半導體封裝的四個主要應用領域：高性能計算 (HPC) 應用/數據中心、通信網絡、自動駕駛汽車和消費電子產品。對數據處理不斷增長的需求是這些應用領域增長的主要推動力。然而，每種應用都有特定的要求，需要不同的先進半導體封裝技術。

對于 HPC 應用程序/數據中心，首要任務是提供卓越的數據處理能力，這使得使用 Si 中介層或 Si 橋接器的 2.5DIC 技術成為首選，盡管它們的成本較高。相比之下，智能手機或智能手表等消費電子產品注重小型化和成本，有機封裝技術是首選。

在 5G 及以后的通信中，關鍵挑戰是傳輸損耗。因此，采用先進的封裝技術使天線更靠近 RF IC 芯片，從而最大限度地減少傳輸損耗。“封裝天線 (AiP)”是目前 5G 毫米波最可行的選擇，而“芯片/晶圓上天線 (AoP)”仍在緊鑼密鼓地開發以降低成本。

對于未來的自動駕駛汽車，CPU 和其他組件（例如 HBM 和可靠的電力傳輸系統）的異構集成將為先進半導體封裝和創新創造新的機會。

數據處理的擴展是所有這些應用程序的統一增長因素。然而，由于每個應用領域的要求不同，正在使用先進的半導體封裝技術來滿足特定需求。


中國大陸的先進封裝

實際上，以2000年為節點，我們可以將封裝產業分為傳統封裝階段和先進封裝階段。而封裝是我國半導體產業中發展最早、起步最快的行業。

現在，長電、通富微電、華天都已經進入全球封裝企業前十。長電科技、通富微電、華天科技按營收口徑分列第3、5、6位，長電科技已處于國際第一梯隊，通富微電與華天科技處于國際第二梯隊。

長電先進具備FC、PoP、Fan-out、WLP、2.5D/3D等先進封裝的能力；星科金朋新加坡廠擁有Fan-out eWLB和WLCSP封裝能力，韓國廠擁有SiP和FC系統封測能力，江陰廠擁有先進的存儲器封裝、全系列的FC倒裝技術；長電韓國主營SiP高端封裝業務。

華天科技在先進封裝方面已經掌握了MCM、BGA、3D、SIP、MEMS、FC、TSV、Bumping、Fan-out、WLP等技術。

通富微電擁有Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先進封測技術。

2D封裝

在Fan-out封裝上，華天科技推出了擁有完全自主知識產權的晶圓級eSiFO。eSiFO的優勢包括硅基板，翹曲小、應力低的高可靠性，生產周期短、工藝設備小的低成本、高集成度、系統級封裝。目前已經可以為客戶提供8英寸、12英寸晶圓級扇出封裝。

而在eSiFO技術的基礎上，可以通過TSV、Bumping等晶圓級封裝的技術，實現3D、SiP的封裝。

長電科技旗下星科金朋新加坡廠擁有eWLB技術，作為Fan-out封裝技術的進一步升級，eWLB技術主要用于高端手機主處理器的封裝，適用于高性能低功耗的芯片產品。

eWLB技術能夠實現突破性的超薄封裝，具有更高的I/O引腳數，散熱性能和電氣性能較強，可以提供低功耗、高性能的解決方案，同時擴展異構芯片集成能力，能夠在不使用成本高昂的TSV技術的情況下，嵌入多個垂直三維互聯的有源和無源元件到相同的晶片級封裝。


2.5D、3D封裝

長電科技2021年7月推出了一款使用Chip-Last封裝工藝的高密度扇出式封裝——XDFOI，應用場景主要集中在對集成度和算力有較高要求的FPGA、CPU、GPU、AI和5G網絡芯片等

長電科技XDFOI技術，相較于2.5D TSV封裝技術，具備更高性能、更高可靠性以及更低成本等特性。該解決方案在線寬或線距可達到2um的同時，可實現多層布線層，另外，采用了極窄節距凸塊互聯技術，封裝尺寸大，可集成多顆芯片、高帶寬內存和無源器件。

3D封裝方面，華天科技推出了3D-eSinC解決方案。華天科技稱，2022年將開展2.5D Interpose FCBGA、FOFCBGA、3D FOSiP等先進封裝技術，以及基于TCB工藝的3D Memory封裝技術，Double Sidemolding射頻封裝技術、車載激光雷達及車規級12英寸晶圓級封裝等技術和產品的研發。

3DIC方面，長電科技推出了擴展eWLB。長電科技基于eWLB的中介層可在成熟的低損耗封裝結構中實現高密度互連，提供更高效的散熱和更快的處理速度。3D eWLB互連（包括硅分割）是通過獨特的面對面鍵合方式實現，無需成本更高的TSV互連，同時還能實現高帶寬的3D集成。

在2.5D/3D封裝方面，通富微電在高性能計算領域建成了國內2.5D/3D封裝平臺(VISionS)及超大尺寸FCBGA研發平臺。其中2.5D技術已于2021年成功開發，實現樣品制作，目前正在配合客戶做進一步產品認證和量產規劃，預計2022年下半年到2023年，一些客戶會逐漸進入2.5D封裝量產階段。

隨著世界對算力需求的增長，當先進制程達到物理極限時，先進封裝或許能夠提供更新的動力。正如英特爾CEO帕特?基辛格所說：“到2030年，希望能將單個設備中的晶體管數量從1千億個增加到1萬億個。現在對于技術專家們而言，既是最好的時代，也是最重要的時代。”