搜索
当前所在位置: 首页>前沿科技

台积电先进封装大解密:超越摩尔计划延续竞争力

发布时间:2022-06-10 09:04:35 作者:单栗 点击:230 【 字体:

缩小晶体管的制程节点(7纳米、5纳米、3纳米)可以缩小芯片(Chip),缩小芯片可以缩小印刷电路板(PCB:Printed Circuit Board),而缩小印刷电路板就可以缩小电子产品的尺寸,因此制程节点是朝向愈来愈小的方向发展,但是先进制程发展到3纳米以下开始接近极限,一般认为「极紫外光(EUV:Extreme Ultraviolet)」的极限是1纳米,因此1纳米以下的制程发展会遇到瓶颈,该怎么办呢?

什么是系统单封装(SiP:System in a Package)?

将数个功能不同的芯片(Chip)直接封装成具有完整功能的「一个」集成电路(IC:Integrated Circuit),称为「系统单封装(SiP:System in a Package)」。例如:将计算机的处理器(CPU)与内存(DDR:Double Data Rate SDRAM)封装在一起,如图一所示,此时仍然是两个独立的芯片,只是封装在同一个外壳而已,比发展先进制程更简单,在某些特别的应用上甚至可以将被动组件、连接器、天线等一起封装进去,先进封装就是一种系统单封装技术。

图一 将计算机的处理器(CPU)与内存(DDR)封装在一起。数据源:曲博科技教室。

先进封装的前段(FE)与后段(BE)

先进封装是指使用左右水平或上下垂直的方法将芯片堆栈起来,同时缩小集成电路的一种技术,可以再细分为前段与后段如图二所示:

立体封装前段(3DFE:3D Front End):也就是集成电路内部的芯片堆栈技术,如何把许多芯片堆栈起来?又可以分为「芯片堆栈晶圆(CoW:Chip on Wafer)」与「晶圆堆栈晶圆(WoW:Wafer on Wafer) 」两种。

立体封装前段(3DBE:3D Back End):也就是集成电路外部的导线分布技术,如何分布导线才方便接下来和印刷电路板(PCB)连接。

传统的封装都是在「封装厂」中进行,有点像是传统的精密机械工业,但是先进封装大部分是利用「晶圆厂」的技术直接在晶圆上进行,由于这种技术更适合晶圆厂来做,因此台积电大部分的先进封装都是自己做的。

图二 台积电先进封装分类图。数据源:台积电。

晶圆级晶粒尺寸封装(WLCSP:Wafer Level Chip Size Package)

所谓「晶圆级(Wafer level)」是指先将「整片晶圆」或「许多芯片」封装好以后,再进行切割的动作,如果封装以后体积比封装前增加少于120%,则称为「晶粒尺寸封装(CSP:Chip Size Package)」。使用晶圆级封装主要是可以将大量的芯片一起封装制作,因此可以提高产能降低成本,晶圆级封装又分为「扇入型(Fan-in)」与「扇出型(Fan-out)」,如图三所示:

扇入型晶圆级封装(Fan-in WLP):可以将整片晶圆封装好以后再进行切割的动作,但是必须把外部金属球制作在芯片面积内,因此只适合接脚数较少的集成电路,例如:电源管理集成电路(PMIC:Power Management IC)。

扇出型晶圆级封装(Fan-out WLP):先将晶圆上的芯片切割以后,芯片之间拉开一段距离形成「扇出区(Fan-out area)」,再转移到一片暂时性的玻璃板,许多芯片一起封装好以后,再进行切割的动作,可以把外部金属球制作在芯片面积外的扇出区,适合接脚数较多的集成电路,例如:苹果的处理器大部分是使用这种封装技术。

使用扇出型晶圆级封装也可以将多个不同的芯片封装在一起,这种技术台积电称为「整合扇出型封装(InFO:Integrated Fan-out)」。

图三 扇入型(Fan-in)与扇出型(Fan-out)封装。数据源:曲博科技教室。

先进立体封装技术

将数个功能不同的芯片(Chip)切割后再用「硅中介板(Silicon interposer)」整合起来,称为「芯片堆栈晶圆(CoW:Chip on Wafer)」,硅中介板上有许多微小的「硅穿孔(TSV:Through Silicon Via)」填入金属,然后再整合在「导线载板(Laminate substrate)」上。

由于硅中介板上的金属线路比较细 (大约10微米),导线载板上的金属线路比较粗(大约100微米),因此用这种方式封装可以让芯片靠得更近,不但缩小面积也加快讯号在不同芯片之间流动,这种技术台积电称为「芯片堆栈晶圆堆栈基板(CoWoS)」,如图四左半边所示,其中Wafer是指「硅中介板」, Substrate是指「导线载板」,因为使用硅中介板来「左右水平」堆栈芯片,不算是真正的3D立体堆栈,因此称为「2.5D封装」。

直正的3D封装必须「上下垂直」堆栈芯片,如图四右半边所示,图中绿色代表芯片的正面,也就是含有晶体管的那一面,要达到这个必须将「硅穿孔(TSV)」制作在含有晶体管的芯片上,这个难度很高,目前主要应用在内存堆栈,这种内存称为「高带宽内存(HBM:High Bandwidth Memory)」。

图四2.5D与3D立体封装技术。数据源:曲博科技教室。

晶圆堆栈晶圆(WoW:Wafer on Wafer)

立体封装技术还有另外一种方法,将「硅穿孔(TSV)」制作在含有晶体管的芯片上,再将不同的晶圆「上下垂直」堆栈起来,最后再切割后就成为集成电路,如图五所示。这样制作难度很高但是可以大量生产,是未来可能的发展方向,台积电把前面介绍的这些先进封装技术整合起来称为「系统堆栈芯片(SoIC:System on Integrated Chips)」,有了这些技术,即使先进制程遇到瓶颈仍然能够持续缩小集成电路。

图五 晶圆堆栈晶圆(WOW)技术示意图。数据源:台积电。

小芯片(Chiplet)成为集成电路发展新趋势

最早期的电子产品是将主动组件晶体管与被动组件电阻、电容、电感等独立的电子组件分别焊接在印刷电路板(PCB)上的,后来发明了「集成电路(IC)」,将所有晶体管整合缩小制作在一个硅芯片(Chip)上,再封装成一个集成电路(IC)。整合愈多晶体管功能愈完整,虽然使得芯片(Chip)与集成电路(IC)的面积变大,但是印刷电路板(PCB)上的电子组件大幅减少使得电子产品的体积大幅缩小,这是过去50年来集成电路产业的发展方向。

后来走火入魔整合的晶体管愈来愈多,开始发展「系统单芯片(SoC:System on a Chip)」,将多核心中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、射频(RF)等都整合到单一芯片,使得芯片(Chip)的面积变大,内部的通讯联机也很复杂,而且芯片变大良率降低成本变高。

如图六所示,假设同样是六颗灰尘掉在晶圆上,当芯片较大共计12个,坏了6个,好的6个,良率为50%,当芯片较小共计24个,坏了6个,好的18个,良率为75%,显然芯片愈小良率愈高,成本愈低,因此最近又开始朝向「小芯片(Chiplet)」的方向发展。

图六 芯片愈大,良率愈低成本愈高;芯片愈小,良率愈高成本愈低。

将多核心中央处理器(CPU)做成一个小芯片,图形处理器(GPU)做成一个小芯片,射频(RF)做成一个小芯片,这样可以降低成本,问题是三个小芯片(Chiplet)如果各自封装,会形成三个集成电路(IC),结局又使得印刷电路板(PCB)变大,那么该怎么辨呢?

因此业界开始使用前面介绍的2.5D或3D立体封装,将三个小芯片(Chiplet)封装成一个集成电路(IC),不同的小芯片(Chiplet)可以各自成为不同的模块(Module),变成不同的知识产权(IP)来进行转移或交易,这样的「模块化(Modularized)」可以减少设计的时间和成本。

超越摩尔(More than Moore)计划

摩尔定律(Moore's law)是由英特尔(Intel)创辨人之一的戈登摩尔提出,主要内容是集成电路上可容纳的晶体管数目,大约每隔两年就会增加一倍,芯片的效能也会提高一倍,但是受限于制程的物理极限,晶体管缩小的技术发展日渐困难,成本也愈来愈高,因此有必要利用其他手段缩小集成电路的尺寸同时降低成本。所谓的「超越摩尔(More than Moore)」是指以系统应用的概念为出发点,不执着在晶体管的制程点缩小的摩尔定律,而更应该将各种技术进行异质整合,其中最重要的方法之一就是前面介绍的先进封装技术,而台积电的整合扇出型封装(InFO)、芯片堆栈晶圆堆栈基板(CoWoS)、系统堆栈芯片(SoIC)等先进封装技术目前都领先业界,超越摩尔计划延续竞争力。

此外,在<台积电用一流人才做二流工作?>一文中曾经提到,台积电有三大弱点,或者应该说是台湾半导体产业共同的弱点:先进制程所使用的材料与特用化学品大部分是进口的;先进制程所使用的制程设备大部分是进口的;先进的内存制程落后三星。因此台积电在先进制程领先全球之后,台湾应该利用这个机会进行产业升级,培植相关的半导体供应链,包括先进制程所使用的材料、特用化学品、制程设备研发等,由于先进制程的设备是纳米等级,开发的难度较高,相对先进封装的设备只有微米等级,开发的难度较低,因此培植本土的设备研发可以由先进封装开始是一个不错的方向。


阅读全文
相关推荐

两协会:演员片酬等劳务收入不得用现金支付

两协会:演员片酬等劳务收入不得用现金支付
5月7日,由中国广播电视社会组织联合会、中国网络视听节目服务协会制定的《演员聘用合同示范文本(试行)》首次发布,使用说明中指出“片酬等劳务收入,不得使用现金方式支付,不得以股权、房产、珠宝、字画、收藏品等变相支付报酬形式隐匿收入,严格区分个人收入和工作室经营所得、公司收入。演员聘用合同书应列明演员经纪...

起底供奉日军战犯的玄奘寺:曾虚报3000万维修费 住持商业版图曝光

起底供奉日军战犯的玄奘寺:曾虚报3000万维修费 住持商业版图曝光
核心提示:1、近日,据网友爆料,在南京九华山公园玄奘寺地藏殿内,一排长生牌位中,,竟然供奉着参与“大屠杀”的日军战犯牌位。该消息传播开后,引起人们的极大愤慨,迅速登上热搜。共青团中央微博更是痛批玄奘寺这种行为是“数典忘祖,可耻,可恨!”。2、深处舆论漩涡的南京玄奘寺,并非不沾红尘半点的佛门净地,其曾身...

具俊晔暂别大S前往纽约 经纪人曝男方下月再赴台

具俊晔暂别大S前往纽约 经纪人曝男方下月再赴台
有台媒询问具俊晔何时再次赴台与大S相聚,经纪人表示:“还不确定,应该下个月吧。”大S、具俊晔 具俊晔12日深夜发文,预告13号将在纽约夜店公开表演。据传他目前已经离开台湾,和大S因工作行程再度分隔两地。有台媒询问具俊晔何时再次赴台与大S相聚,经纪人表示:“还不确定,应该下个月吧。”...

北大学生卖完猪肉又去卖醋 是“财富神话”?还是“旧念复萌”?

北大学生卖完猪肉又去卖醋 是“财富神话”?还是“旧念复萌”?
“一个不会做醋的猪肉佬不是一名合格的北大毕业生。”这句话说的是谁呢?那就是天地壹号的创始人陈生。他是一名连续成功创业者,创办了中国最大的土猪肉连锁品牌“壹号土猪”,同时又因毕业于北京大学,所以被人称之为“北大猪肉佬”。鲜为人知的是,陈生在北大毕业后,做了7年的公务员,还曾在房地产、保健酒等行业摸爬滚打...

苹果免费应用被爆沦为“诱饵”:不付费直接没法用

苹果免费应用被爆沦为“诱饵”:不付费直接没法用
Mac App Store凤凰网科技讯 北京时间4月14日消息,目前,基于订阅和应用内购买的应用越来越受欢迎,即便是苹果也在App Store上支持这种模式。然而,一些开发人员一直在滥用该系统,诱使用户提前为号称是免费的macOS应用付费。据开发者杰夫·约翰逊(Jeff Johnson)在Twitter上爆料,在Mac App Store中下载量最高的应用中,有许...

获嘉县司法局举办第八期政治轮训暨六月份主题党日活动

获嘉县司法局举办第八期政治轮训暨六月份主题党日活动
6月18日,新乡市获嘉县司法局组织全体党员干部开展以“学习榜样精神 汲取奋进力量”为主题的党日+活动。活动伊始,全体党员在该局党组书记、局长冯涛的带领下认真研学县委组织部印发的《关于培育同盟雁阵激发党员活力活动的方案》《关于开展“创五强支部 建模范机关”活动的实施意见》《关于进一步加强县直机关基层党...

扎克伯格回应被指像机器人:听证会不人性导致表情失控

扎克伯格回应被指像机器人:听证会不人性导致表情失控
Meta CEO扎克伯格在2018年出席美国国会听证会时,表情动作表现的非常僵硬,于是网上就有了“扎克伯格是机器人、外星人”的梗,同时也出现了许多与此有关的表情包。据媒体报道,近日在一档节目中,扎克伯格在被说当时喝水像机器人时回应表示,参议院的听证会并不是强调人性的环境,“如果你在那里待上六七个小时,你也会做出...

发改委邀你谏言 “十四五”循环经济发展热身开始

发改委邀你谏言 “十四五”循环经济发展热身开始
2020年6月12日,国家发展改革委环资司发布建言献策新互动消息 【进行中】我为十四五时期循环经济发展建言献策 。 【为谋划好十四五时期循环经济工作,请社会各界围绕循环经济发展...

获嘉县中和司法所: “情理法”相结合 化解纠纷解民忧

获嘉县中和司法所: “情理法”相结合 化解纠纷解民忧
日前,获嘉县中和镇前五福村86岁陈老太来到该村村委会,请求调解与其五个儿子之间赡养纠纷。接到案件后,中和司法所迅速与和该村村委会成立调解工作小组,一方面安抚陈老太的情绪,另一方面立即着手进行了深入细致的实地调查。经调查发现,陈老太共有五儿一女,其中女儿因故去世;了解后得知他们不赡养老人原因有三个方面:...

天津新增18例新冠病毒感染者 涉病例所在托管机构、学校学生及家长

天津新增18例新冠病毒感染者 涉病例所在托管机构、学校学生及家长
1月8日,天津市政府召开新冠病毒肺炎疫情防控工作新闻发布会,天津市卫生健康委主任顾清介绍,经重点人群筛查,截至21时,天津市在密切接触者中又检出18例新冠病毒感染者,均已转运至定点医院实施隔离救治。感染者主要涉及病例所在托管机构、学校学生及家长。 截至1月8日21时,天津市累计判定追踪密切接触者814人、次级密切...
返回顶部