Chiplet大涨,封测技术不是短板,先进封装设备、材料才是短板
今天Chiplet(先进封装)概念再度大涨,中京电子、通富微电、大港股份涨停,中富电路涨超10%,赛微电子、文一科技等亦有出色表现。之前我们介绍过Chiplet,但是不多,这里我们再聊聊。
Chiplet是什么?如今摩尔定律逐渐放缓,开始迎接后摩尔时代。根据摩尔定律,半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每18到24个月将增加一倍。现在摩尔定律已经很多年了,但是半导体工艺仍在发展,这就需在同等面积大小的区域里放进更多的硅电路,比如漏电流增加、散热问题增加、时钟频率增长减慢等问题出现的越来越多。比如当芯片制程工艺发展到10nm以下时,就出现了“摩尔定律”迭代进度放缓、芯片成本攀升情况,当发展到5nm往下的4nm,3nm等时,也有性能和功耗的问题。毕竟大多数系统级芯片都是将多个负责不同类型计算任务的计算单元,通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。也就是说主流路线追求的是高度集成化,利用先进制程对于所有的单元进行全面的提升。
所以由于半导体工艺制程持续向3nm/2nm推进,晶体管尺寸已逼近物理极限,所耗费的时间及成本越来越高,但“经济效益”却越来越有限,“摩尔定律”日趋放缓。而“后摩尔时代”就是从系统应用为出发点,不执着于晶体管的制程缩小,将各种技术进行异质整合的先进封装技术成为“超越摩尔”的重要路径。
比较常见的先进封装类别是扇出。相关资料显示苹果公司将让台积电采用应用处理器芯片,再把它和90微米至60微米数量级的更密集凸块封装到重组或载体晶圆/面板上。与传统倒装芯片封装相比,凸点密度大约高出 8 倍。这种重组或载体晶圆/面板然后进一步展开 IO,所以就叫扇出。继续把扇出封装连接到主板。硅芯片的设计可以减少对pad受限的担忧,主要是扇出处的pad小一些。该封装还可以封装 DRAM 内存、NAND 存储和PMIC。集成扇出不仅有利于密度,而且它们还在封装上保留了大量的芯片间IO。Chiplet也是一种封测技术,它又叫做芯粒或者小芯片,它是将一类满足特定功能的die(裸片),通过die-to-die内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起,形成一个系统芯片,以实现一种新形式的IP复用。总的来说,Chiplet 是一种将多种芯片(如 I/O、存储器和 IP 核)在一个封装内组装起来的高性能、成本低、产品上市快的解决方案。如今Chiplet封装方案主要是2.5D 封装 、3D 封装 、MCM 封装等类型。像2.5D 封装就是把将多个芯片并列排在中介层上,经由微凸块连结,让内部金属线连接芯片间的电子讯号,再通过矽穿孔(TSV)来连结下方的金属凸块(Solder Bump),再通过导线载板连结外部金属球,实现各部件之间紧密的连接。
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再像3D 封装更先进一些,是直接将各芯片进行堆叠,在芯片制作电晶体(CMOS)结构,并直接使用矽穿孔来连结芯片间的电子讯号。还有MCM封装,它是把多个LSI/VLSI/ASIC裸芯片和其它元器件组装在同一块多层互连基板上,在实行封装。Chiplet是由多个功能的裸芯片所构成,Chiplet 的裸芯片是半导体 IP 经过设计和制程优化后生产出的硬件化产品,也可以这样思考,Chiplet 芯片是由不同的 IP 所构成。IP 厂商有可能实现从 IP 供应商到 Chiplet 产品供应商的转变,从而提升公司在产业链中的附加价值。在 Chiplet模式下,设计公司可以买不同公司的硬件然后通过先进封装进行组合,在此模式下 IP 公司有望实现向硬件提供商的转变。
在众多半导体企业里,台积电做的比较好,早在2012年,它则利用CoWoS (Chip on Wafer on Substrate)先进2.5D封装技术,为客户生产FPGA。过了两年,台积电和海思合作推出全球第一个使用CoWoS封装技术,将3个16纳米芯片整合在一起,具网络功能的单芯片。而且台积电InFO(整合扇出)先进封装,结果非常好,台积电用InFO先进封装技术为苹果公司封装iPhone的A系列处理器,既能够缩小芯片,还可以提升性能。这还没结束,2020年时,台积电提出3DFabric 先进封装平台,前段技术为SoIC (整合芯片系统),后段组装测试相关技术包含InFO以及CoWoS系列,可以让客户自由选配。3D Fabric的优势是能够整合逻辑小芯片、高频宽存储器(HBM)、特殊制程芯片等,在打造各种创新产品设计。
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如今台积电仍在3D Fabric先进封测上做研发,有希望具备先进测试、SoIC和2.5D先进封装的产线。国内里也有做先进封装的,像通富微电,就是从事集成电路的封装和测试,拥有年封装15亿块集成电路、测试6亿块集成电路的生产能力。它主要是给境内外半导体企业提供IC封装测试服务,比如封装产品DIP/SIP系列,SOP/SOL/TSSOP系列,QFP/LQFP系列,CP系列,MCM系列等,已形成年封装测试集成电路35亿块生产能力,是国内目前唯一实现高端封装测试技术MCM,MEMS量化生产封装测试厂家,技术实力,生产规模都是国内龙头。现有DIP、SIP、SOP、QFP、SSOP、TQFP、MCM等系列封装形式,多个产品填补国内空白。尤其是在Chiplet、WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D堆叠等方面均有布局和储备,现已具备Chiplet先进封装技术大规模生产能力,其中7nm产品已大规模量产,5nm产品已完成研发即将量产。大港股份表示已储备TSV、micro-bumping(微凸点)和RDL等先进封装核心技术。今年大港股份表示TSV技术确实属于Chiplet的技术前提,目前公司控股孙公司苏州科阳主要从事TSV晶圆级封装业务,截至目前未涉及Chiplet相关业务。实际上没有涉及Chiplet业务,应该是做的Chiplet技术储备。中京电子近年来已开始在封装基板领域投入研发,对于Chiplet技术,其称将各异质小芯片借助先进封装方式实现系统芯片功能,预计将推动封装工艺与封装材料发展。
抛开Chiplet技术,我国封测技术实际上做得不错,不是我们的技术劣势,除了通富微电,还有长电科技、华天科技都是全球封测十强企业,去年累计市占率达到20%,在先进封装技术方面,三大封测厂实现了主流技术平台全覆盖,去年通富微电的先进封装营收占比在70%左右。这种做封测的厂商大多都是重资产企业,研发以及产业链上都需要长期资金投入。
而且这些做封测的大企业差不多涵盖比较常见的FC、SiP、BGA、引线框架类等中高等技术,不一样的地方则是先进封装的技术水平及量产能力,像晶圆级封装、SiP、2.5D/3D封装,国内长电科技的先进封装制程及量产能力相对领先,Chiplet技术通富微电做的比较快。
重要的是,先进封装设备需求包括刻蚀机、光刻机、PVD/CVD、涂胶显影设备、清洗设备、测试机等,国内的厂商仍在快速发展阶段,像这些半导体制造设备,或者半导体材料、EDA软件、芯片制造才是我们的技术短板,这些我们国内企业还处于追赶状态。
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