大模型引領(lǐng)的AIGC是第四次工業(yè)革命的起點(diǎn)，具備從底層改變各行業(yè)規(guī)則的能力。2023年成為AI大模型元年，大模型的預(yù)訓(xùn)練和生成能力以及多模態(tài)多場(chǎng)景應(yīng)用能力大幅提升。其中，算力芯片作為最重要的生產(chǎn)力工具，已成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。
美國(guó)近年來(lái)頻繁出臺(tái)針對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的制裁政策，試圖遏制中國(guó)在芯片領(lǐng)域的崛起。然而，這一系列制裁不僅未能阻擋中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，反而激發(fā)了中國(guó)在芯片技術(shù)自主創(chuàng)新方面的決心和動(dòng)力。在這一背景下，先進(jìn)封裝技術(shù)作為一種能夠有效提升芯片性能的手段，逐漸成為國(guó)產(chǎn)AI芯片實(shí)現(xiàn)彎道超車的關(guān)鍵突破口。
01 后摩爾時(shí)代，先進(jìn)封裝大勢(shì)所趨
半導(dǎo)體封裝的主要目的是電氣連接和保護(hù)芯片。先進(jìn)封裝技術(shù)與傳統(tǒng)封裝技術(shù)主要以是否采用焊線來(lái)區(qū)分。傳統(tǒng)封裝一般利用引線框架作為載體，采用引線鍵合互連的形式進(jìn)行封裝。而先進(jìn)封裝引腳以面陣列引出，采用倒裝等鍵合互連的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接，并發(fā)展出多種封裝技術(shù)。
封裝技術(shù)的不同直接影響芯片的性能、功耗和體積。因此，封裝在決定電子設(shè)備整體功能中起著重要作用。隨著對(duì)更小、更快、更高性能芯片需求的增長(zhǎng)，先進(jìn)的封裝技術(shù)變得尤為重要。
“后摩爾時(shí)代”，隨著集成電路工藝制程的越發(fā)先進(jìn)，對(duì)技術(shù)端和成本端均提出了巨大挑戰(zhàn)，先進(jìn)封裝快速發(fā)展。
先進(jìn)封裝根據(jù)不同需求延伸出不同方案，契合不同場(chǎng)景特點(diǎn)，包含倒裝封裝、晶圓級(jí)封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝、2.5D/3D封裝等，主要通過(guò)平面與空間上的革新實(shí)現(xiàn)連接的密集化、堆疊的多樣化和功能的系統(tǒng)化。隨著新技術(shù)演進(jìn)，以2.5D/3D為代表的先進(jìn)封裝工藝已深入高性能AI芯片生產(chǎn)。
2.5D/3D先進(jìn)封裝工藝中，包含Bump（凸塊）、RDL（重布線）、Interposer（中介層）和 TSV（硅通孔）等關(guān)鍵要素，均涉及具有前道工藝特點(diǎn)的工藝流程，與傳統(tǒng)封裝相比，具有更高的技術(shù)門(mén)檻和進(jìn)入壁壘。因此，進(jìn)入先進(jìn)封裝時(shí)代后，全球封測(cè)競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生變化，先進(jìn)封裝市場(chǎng)不再只有封測(cè)玩家，晶圓廠也參與其中并發(fā)展迅速。
以臺(tái)積電為例，3D Fabric是臺(tái)積電旗下的先進(jìn)封裝技術(shù)品牌，涵蓋了多種2.5D和3D封裝技術(shù)。其中，CoWoS平臺(tái)將先進(jìn)邏輯及高帶寬存儲(chǔ)器HBM整合，在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)中心中廣泛應(yīng)用。
CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）技術(shù)是臺(tái)積電在2.5D封裝上的重要技術(shù)平臺(tái)。CoWoS由CoW和oS組合而來(lái)：借助微凸塊(μBumps)技術(shù)先將芯片通過(guò)Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至硅晶圓（Si interposer），再把CoW芯片與基板（Substrate）連接，整合成CoWoS。
其中硅中階層先由TSV技術(shù)形成聯(lián)通上下的通孔，再使用RDL形成高密度布線，因此信號(hào)可以經(jīng)由硅中階層高速傳輸。CoWoS非常適合需要大量并行技術(shù)、處理大量數(shù)據(jù)向量以及需要高內(nèi)存帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景。
特朗CoWoS封裝結(jié)構(gòu)示意圖
資料來(lái)源：臺(tái)積電官網(wǎng)
臺(tái)積電CoWoS技術(shù)為2.5D封裝中的領(lǐng)先技術(shù)，相關(guān)技術(shù)方案也成為行業(yè)內(nèi)學(xué)習(xí)的主要方向。三星和英特爾也將先進(jìn)封裝技術(shù)作為發(fā)展重點(diǎn)，都已完成2.5D/3D封裝部署。三星I-Cube作為異質(zhì)整合技術(shù)，I-Cube可將一個(gè)或多個(gè)邏輯芯片（如CPU、GPU等）和多個(gè)存儲(chǔ)芯片（如HBM）整合連接在中介層頂部。英特爾在2.5D封裝中引入EMIB（Embedded Multi-Die Inter connect Bridge）技術(shù)，其結(jié)構(gòu)上看，沒(méi)有引入額外的硅中介層，而是只在兩枚裸片邊緣連接處加入了一條硅橋接層（Silicon Bridge），并重新定制化裸片邊緣的I/O引腳以配合橋接標(biāo)準(zhǔn)。
盡管如此，CoWoS當(dāng)前仍為AI算力芯片最主流的封裝方案，英偉達(dá)、博通、Marvell、谷歌、亞馬遜、AMD等均廣泛采用CoWoS技術(shù)，其中英偉達(dá)需求占比過(guò)半。Trend Force預(yù)計(jì)臺(tái)積電2024年CoWoS總產(chǎn)能增長(zhǎng)150%，2025年年底達(dá)到月產(chǎn)能近4萬(wàn)片，2026年預(yù)計(jì)達(dá)到9-11萬(wàn)片/月。
根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，先進(jìn)封裝在整體封裝行業(yè)中的占比將從2022年的47%提升至2028年的58%；預(yù)計(jì)到2029年，先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將提升至695億美元，2023-2029年CAGR超10%。其中，AI算力需求拉動(dòng)2.5D/3D封裝高增，預(yù)計(jì)到2029年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)276億美元，是先進(jìn)封裝中市場(chǎng)規(guī)模最大、增速最快的市場(chǎng)。
02 先進(jìn)封裝：國(guó)產(chǎn)AI芯片破局點(diǎn)
自2018年中美貿(mào)易戰(zhàn)爆發(fā)以來(lái)，美國(guó)對(duì)中國(guó)的芯片技術(shù)封鎖逐步從單一企業(yè)打擊演變?yōu)槿a(chǎn)業(yè)鏈壓制。
2020年12月，美國(guó)將中芯國(guó)際列入“實(shí)體清單”，限制中芯國(guó)際14nm及以下制程的擴(kuò)產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)先進(jìn)制程代工受限。
2022年10月，美國(guó)發(fā)布《先進(jìn)計(jì)算與半導(dǎo)體制造出口管制新規(guī)》，從先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備封鎖、英偉達(dá)高端算力芯片斷供、人才流動(dòng)阻斷，進(jìn)行“三位一體”的技術(shù)限制，對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成結(jié)構(gòu)性沖擊，而這種沖擊不斷升級(jí)。
2024年11月，臺(tái)積電迫于美國(guó)的壓力，擬對(duì)中國(guó)大陸停供7nm及更先進(jìn)制程芯片，滿足以下條件之一的AI芯片供應(yīng)將受影響，（1）芯片面積在300mm2及以上；（2）使用了高帶寬存儲(chǔ)HBM或2.5D封裝CoWoS工藝；（3）晶體管數(shù)大于300億個(gè)。此政策旨在進(jìn)一步從上游芯片代工和封裝環(huán)節(jié)遏制國(guó)產(chǎn)AI芯片的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。
2025年1月15日，美國(guó)商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）宣布修訂出口管理法規(guī)（EAR），要求提供與高級(jí)計(jì)算集成電路相關(guān)的更多盡職調(diào)查程序。一款芯片如果其采用了16/14nm節(jié)點(diǎn)及以下先進(jìn)制程，并且其最終封裝內(nèi)包含有300億個(gè)或更多的晶體管，將會(huì)受到限制，相關(guān)的前端芯片制造商和OSAT公司將被禁止對(duì)華出口此類芯片。
到2027年，晶體管數(shù)量將擴(kuò)大至350億個(gè)以內(nèi)；到2029年或之后，則進(jìn)一步擴(kuò)大至400億個(gè)以內(nèi)。臺(tái)積電亦宣布自2025年1月31日起，如果16/14nm及以下制程的相關(guān)產(chǎn)品，若不在美國(guó)BIS白名單中的“approved OSAT”進(jìn)行封裝，且臺(tái)積電沒(méi)有收到該封裝廠的認(rèn)證簽署副本，這些產(chǎn)品將被暫停發(fā)貨。
這一系列的制裁政策使得中國(guó)企業(yè)獲取和制造高端AI芯片的難度大幅增加，但同時(shí)也促使中國(guó)加快自主研發(fā)和國(guó)產(chǎn)替代的進(jìn)程，而先進(jìn)封裝有望成為技術(shù)破局點(diǎn)：
(1) 突破制程限制
高端光刻機(jī)受限導(dǎo)致國(guó)內(nèi)代工廠在先進(jìn)制程芯片制造上面臨技術(shù)瓶頸。基于先進(jìn)封裝的多芯粒集成技術(shù)可以提升芯片性能，突破美國(guó)先進(jìn)制程的封鎖。通常意義上，單位面積晶體管數(shù)量越多，芯片性能越強(qiáng)。先進(jìn)封裝技術(shù)可以通過(guò)集成工藝，將多個(gè)小芯片集成在一起，幫助芯片跨越1至2個(gè)制程工藝節(jié)點(diǎn)，提升整體系統(tǒng)性能；
(2) 異構(gòu)計(jì)算優(yōu)化
先進(jìn)封裝還可將不同工藝節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模塊，如邏輯芯片、存儲(chǔ)單元、模擬電路等進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝，實(shí)現(xiàn)能效比的顯著提升；
(3) 互聯(lián)瓶頸突破
采用硅基中介層或混合鍵合技術(shù)，將芯片間互聯(lián)帶寬提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，緩解“內(nèi)存墻”對(duì)算力的制約。
這些技術(shù)路徑的組合應(yīng)用，可使國(guó)產(chǎn)AI芯片在前道工藝制程受限的情況下，將芯片性能的競(jìng)賽從單一制程指標(biāo)轉(zhuǎn)向“架構(gòu)創(chuàng)新+異構(gòu)集成+系統(tǒng)優(yōu)化”的多維比拼，國(guó)產(chǎn)AI芯片有機(jī)會(huì)依托龐大的市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景和快速迭代的工程能力，大幅縮小技術(shù)代差，打破技術(shù)瓶頸。
03 國(guó)產(chǎn)先進(jìn)封裝行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景
近年來(lái)，中國(guó)在先進(jìn)封裝技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展，國(guó)內(nèi)封測(cè)龍頭企業(yè)紛紛布局。長(zhǎng)電科技面向Chiplet異構(gòu)集成應(yīng)用推出XDFOI高密度扇出型封裝方案。通富微電推出融合了2.5D、3D、MCM-Chiplet等技術(shù)的先進(jìn)封裝平臺(tái)VISionS。華天科技擁有3D Matrix平臺(tái)，以Fan-out封裝技術(shù)為基礎(chǔ)，具備一定的TSV能力，主要應(yīng)用于5G通信、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。
此外，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中也涌現(xiàn)出一批成長(zhǎng)型企業(yè)，積極布局先進(jìn)封裝領(lǐng)域，但在2.5D/3D等高端先進(jìn)封裝領(lǐng)域仍是藍(lán)海市場(chǎng)，新進(jìn)入者存在發(fā)展機(jī)遇。
同時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈也對(duì)高端先進(jìn)封測(cè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。
首先，先進(jìn)封裝廠需要設(shè)計(jì)服務(wù)能力的深度構(gòu)建。隨著異構(gòu)集成和系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的普及，封裝設(shè)計(jì)與芯片前端設(shè)計(jì)的協(xié)同性成為關(guān)鍵。具備EDA工具自主開(kāi)發(fā)能力、多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)以及系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的封裝廠，能夠從產(chǎn)品定義階段介入，提供信號(hào)完整性分析、熱力學(xué)模擬、功耗優(yōu)化等定制化設(shè)計(jì)服務(wù)。
例如，針對(duì)帶有HBM高帶寬存儲(chǔ)芯片的2.5D封裝，需通過(guò)硅中介層布線優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高密度互連設(shè)計(jì)；而在Chiplet異構(gòu)集成中，則需通過(guò)先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)解決不同工藝節(jié)點(diǎn)的裸芯互連與電磁兼容問(wèn)題。這種“設(shè)計(jì)-工藝協(xié)同優(yōu)化"能力使封裝廠從代工服務(wù)商升級(jí)為系統(tǒng)級(jí)解決方案提供者。
其次，未來(lái)國(guó)內(nèi)晶圓制程將形成中國(guó)路線與中國(guó)節(jié)點(diǎn)，這就要求封裝廠能夠充分理解并銜接前道晶圓廠工藝，針對(duì)前道遺留下來(lái)的力學(xué)、散熱等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，以便在材料選擇、工藝窗口設(shè)定以及缺陷分析等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。并且，先進(jìn)封裝中所涉及的Bump（凸塊）、RDL（重布線）、Interposer（中介層）和 TSV（硅通孔）等工藝流程，均涉及前道工藝。因此對(duì)前道晶圓制造工藝的深度認(rèn)知將成為先進(jìn)封裝的技術(shù)底座。
同時(shí)，隨著算力需求呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，單一封裝技術(shù)已無(wú)法滿足從移動(dòng)終端到超算中心的差異化場(chǎng)景需求，完整工藝平臺(tái)可滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的多維變革。
例如，在三維集成領(lǐng)域，需掌握TSV深孔刻蝕（深寬比>10:1）、混合鍵合及超薄晶圓處理等核心技術(shù)；在平面擴(kuò)展方向，則需突破2μm線寬RDL重布線、翹曲控制等高密度扇出工藝；同時(shí)還需要光電共封裝（CPO）等異質(zhì)集成能力。這種平臺(tái)化架構(gòu)使封裝廠商能靈活迭代技術(shù)路線，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，形成技術(shù)護(hù)城河。
因此，具有設(shè)計(jì)服務(wù)提供能力、能充分理解晶圓廠工藝、有完整工藝平臺(tái)的企業(yè)將更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
綜上所述，美國(guó)芯片制裁已成為推動(dòng)中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的催化劑，先進(jìn)封裝將發(fā)揮越來(lái)越關(guān)鍵的作用。盡管這些制裁帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，但也加速了中國(guó)在封裝技術(shù)上的自主創(chuàng)新和突破。這無(wú)論是在增強(qiáng)國(guó)家技術(shù)自主權(quán)，還是在應(yīng)對(duì)未來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)方面，均具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。在政策引導(dǎo)、市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、技術(shù)創(chuàng)新的協(xié)同作用下，先進(jìn)封裝有望成為國(guó)產(chǎn)AI芯片換道超車的核心引擎，為國(guó)產(chǎn)AI芯片提供了跨越制程鴻溝的戰(zhàn)略支點(diǎn)。