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台积电先进封装，芯片产业的未来？

半导体产业迎来了转折点，根据台积电Douglas Yu早前的一个题为《TSMC packaging technologies for chiplets and 3D》的演讲，提供关于这家晶圆厂巨头在封装方面的的全面解读

2021-11-29 12:15 · 微信公众号：半导体行业观察福田昭

近年来，关于台积电先进封装的报道越来越多，在这篇文章里，我们基于台积电Douglas Yu早前的一个题为《TSMC packaging technologies for chiplets and 3D》的演讲，给大家提供关于这家晶圆厂巨头在封装方面的的全面解读。为了读者易于理解，在演讲内容的基础上做了部分补充。

本文首先从Douglas Yu演讲目录开始，然后是各项详细的内容。首先，简单地叙述半导体产业迎来了转折点，然后进入本论部分，即TSMC的*进的封装技术。具体如下，被称为“3D Fabric”的2.5/3D的集成化技术、System scale up和封装内部的互相连接的scale down。

其次，再进入第二项本论一一集成不同类型元件的新封装技术。具体而言，解释*进的放热技术、硅光电子（Silicon Photonics）的集成化技术。文章的最后为汇总部分。

Front-end 和Back-end的3D封装

被TSMC称为“3D Fabric”的2.5/3D集成化技术由Front-end（FE 3D）和Back-end（BE 3D）两处工程构成。Front-end（FE 3D）是一种堆叠硅芯片（Silicon Die）后并相互连接的工艺技术。有多种分类，如将采用不同代际技术生产的硅芯片（Silicon Die）连接起来的技术、把硅芯片（Silicon Die）与其他材质的Die搭载于同一块基板上的技术等。

Back-end（BE 3D）是一种高密度地把多个硅芯片（Silicon Die）连接起来的同时，再与封装基板连接的技术。之前，TSMC开发了用于智能手机的封装技术“InFO（Integrated Fan-Out，集成扇出型）”和用于高性能计算机的封装技术“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate，晶圆级封装）”。二者都具有丰富的量产实绩。

TSMC研发的*进的封装技术一一“3D Fabric”的概要。左边为Front-end（SoIC），右边为Back-end（InFO和CoWoS）。出自TSMC“Hot Chips 33的演讲”。（图片出自：eetimes.jp）

Front-end的SoIC有两种技术，其一为“CoW（Chip on Wafer）”，即一种在硅晶圆（Silicon Wafer）上堆叠芯片（Die）的技术；其二为“WoW（Wafer on Wafer）”，即一种将多片芯片（Silicon Wafer）堆叠起来的技术。此处需要注意的是，SoIC并不是一种将电气信号和电源系统等与外部（封装外部）连接的技术。通过与Back-end的3D Fabric或者传统的封装技术相结合，来实现半导体封装。

就Back-end的“InFO（Integrated Fan-Out，集成扇出型）”而言，它利用线路重布层（RDL：Redistribution Layer，一种将硅芯片（Silicon Die）的输入/输出电极引到外部的排线层）和外部电极（焊锡 Bump）实现高集成度的封装技术（InFO的概要将会在后续文章种进行介绍）。此外，还存在一种被称为“LSI（Local Silicon Interconnect）”的技术，即高密度地连接相邻芯片的技术。

“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate，晶圆级封装）”是一种密集地放置硅芯片（Silicon Die）的高集成度封装技术。即在可形成精细的排线和电极的“中间基板（Interpoer）”上密集地放置多个硅芯片（Silicon Die）（CoWoS技术将会在后续文章中详细叙述）。“中间基板（Interpoer）”有硅和RDL两种选择项。

多个裸片（Die）连接技术

如上文所述，“3D Fabric”由Front-end（FE 3D）和Back-end（BE 3D）两种技术构成。Front-end（FE 3D）中有一种被称为“SoIC（System on Integrated Chips）”的、堆叠连接硅芯片（Silicon Die）的技术，这是一种可以支持“小芯片化”的技术。“小芯片化”指的是有意地将单颗芯片（Single Die）的系统LSI（SoC：System on a Chip）分割为多个芯片（Chiplet）的技术。这项技术最近才开始量产。

Back-end 3D（BE 3D）有两种将多个硅芯片（Silicon Die）高密度相互连接的技术。其一，用于智能手机的“InFO（Integrated Fan-Out，集成扇出型）”；其二，用于高性能计算机（HPC）的“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate，晶圆级封装）”。二者都已拥有丰富的量产实绩。

构成“3D Fabric”的Front-end 3D（左侧）和Back-end 3D（右侧）

Front-end 3D的SoIC大致分为两类。其一，利用多个制造代际技术迥异的小芯片（Silicon Die，Mini-die）来完成一个系统（相当于以往的System LSI），即Chiplet结构。可连接的“小芯片（Mini-die）”有各式各样，如利用*进的工艺技术生产的N代际Mini-die、N-1代际的Mini-die、以及N-2代际的Mini-die等等。

其二，利用工艺技术迥异的多个硅芯片（Silicon Die）组成一个模组（Module），即异构结构（Heterogeneous）。比方说，将利用逻辑半导体工艺生产的硅芯片（Silicon Die）和利用存储半导体工艺技术生产的硅芯片（Silicon Die）组合起来。

从“CMOS”转为”CSYS”

就以往的半导体研发技术而言，技术每进步一个代际，单个硅芯片（Silicon Die，或者称为Single Chip）上搭载的晶体管数量大约增加两倍。反过来看，每代技术下，集成同样数量的晶体管所需要的硅面积却减少一半。其实现的前提如下，即尽可能地将更多的线路埋入CMOS的单个芯片（Sigle Die）里，即所谓的“单芯片（Monolithic）集成的*化”。

但是，就当下*进的7纳米、5纳米代际的CMOS生产而言，将利用不同代际技术生产的多个芯片（Die）组合起来、构成一个系统的做法正在成为*解决方案。TSMC把这项解决方案称为“CSYS（Complementary Systems, SoCs and Chiplets integration”。

从CMOS到“CSYS（Complementary Systems, SoCs and Chiplets integration）”

组成一个系统的半导体技术事例。

（a）是传统的系统LSI（SoC），在单颗芯片（Sigle Die）上实现*规模的线路。

（b）为在逻辑芯片（Logic Die）上堆叠逻辑芯片（Logic Die）（或者存储芯片）的事例（SoIC）。

（c）为水平放置逻辑芯片（Logic Die）（或者存储芯片）的事例。

（d）为在（c）的基础上，堆叠传感器芯片（Sensor Die）、高电压线路（HV）、逻辑芯片（Logic Die）（或者存储芯片）的SoIC事例。

以往，人们不会把采用不同工艺生产的硅芯片（Silicon Die）汇集在一起，而是把采用相同工艺技术生产的硅芯片（Silicon Die）封装在一起，且人们认为这有利于降低整体的成本。但是，就7纳米、5纳米等尖端的技术工艺而言，逻辑半导体的微缩化使成本不断增加，同时，难以实现微缩化的线路区块（Block）越来越多。

于是，微缩化的优势仅存在于大型的线路区块（Block）中，而采用尖端工艺变得越来越普遍。相反，将多个芯片（Die）以2.5/3D的形式连接起来的集成技术（即先进封装技术）的比重越来越大。更准确地说，要实现先进系统的研发，先进的封装技术是极其重要的。

用于智能手机的“InFO”的发展

以下开始介绍TSMC研发的先进封装技术的最新发展方向。

TSMC的先进封装技术始于用于高性能计算的“CoWoS（Chip on Wafer on Substrate，晶圆级封装）”和用于智能手机的“InFO（CoWoS（Chip on Wafer on Substrate，集成扇出型）”。“CoWoS”在2012年前后开始被采用，已经有十年的量产实绩。InFO因在2016年被用于“iPhone 7”的“A10”处理器，而被人们熟知。

TSMC的*进的封装技术和其发展。横轴为时间、纵轴为相互连接的密度、封装的大小

CoWoS和InFO已经具有十年以上的研发历史，至此已经派生出多种产品。此外，最近由于SoIC（System on Integrated Chips）研发的进步，将SoIC与CoWoS或者InFO结合的3D封装开始“登场”。

接下来，我们来看看InFO的“衍生品”。就最初的InFO而言，其标准是，在被称为“InFO PoP（Package on Package）”的InFO上搭载低功耗版本的DRAM（封装产品）。主要用途为智能手机的应用处理器（AP）。将AP封装于InFO上，并搭载DRAM，一个小而薄的模组就诞生了。

InFO PoP、InFO_B、FCCSP的概图。在下面的表格中比较了InFO_B和FCCSP（二者的外形尺寸都是14mm见方）

最近，又研发了一项名为“InFO_B（Bottom Only）”的技术，即可由TSMC以外的其他企业搭载DRAM。与FCCSP相比，可以获得更高的性能。在外形尺寸同样为14mm见方的情况下，比较InFO_B和FCCSP后发现，InFO_B的优势如下：有效控制电源电压下降、可容纳更大尺寸的芯片（Die）、可容纳更厚的芯片（Die）。

对InFO的另一个重要的研发是，针对高性能计算机（HPC）的改良，这一点我们将在下文中详细叙述。

“InFO”技术在HPC的应用

TSMC研发了用于高性能计算机（HPC）的“CoWoS”，且已有十年以上的量产实绩。CoWoS虽然是一种可应用于高速、高频信号的优秀封装技术，但它有一个致命的弱点。由于“中间基板（Interposer）”采用的是大型的硅基板，因此生产成本极高。

InFO作为一种用于智能手机的封装技术，不需要封装基板。因此，生产成本较低。于是，基于“InFO”，在搭载多个芯片（Multi-die，或者Chiplet）的前提下，通过增加封装基板，试图应用于HPC，即“InFO_oS”，也可以看做是CoWoS的廉价版。

“InFO_oS”的研发事例（可看做是首代产品），左上为从上面看的封装图。将两颗硅芯片（Silicon Die，Chiplet）组合起来的Net-work-switch。左下为断面图。右侧为Net-work-switch的整体图像

“InFO_oS”的概要和结构图，利用RDL（线路重布层, Redistribution Layer）将多个硅芯片（Silicon Die）和基板相连接。RDL的排线的线宽线距极细，为2/2um。RDL的层数为五层。基板和RDL之间通过130um 间距（Pitch）的铜（Cu）凸点（Bump）连接

InFO_oS的首代产品于2018年开始量产。RDL的面积*可达Reticle的1.5倍（1,287平方毫米左右）。被看做是Net-work-switch模组。第二代产品为搭载了10颗Chiplet的模组。结构如下：两颗逻辑Mini-die，8颗用于输入/输出（IO）的Mini-die。RDL部分的面积为Reticle的2.5倍（51mm×42mm）。基板的大小为110mm见方。预计在2021年内量产第二代产品。

“InFO_oS（用于Net-work-switch的模组）”的研发技术蓝图。横轴为Net-work-switch的性能，纵轴为模组的大小和功耗

介绍两种改良的InFO封装

本文开始介绍两种改良了“InFO”技术的封装方式，都是应用于高性能计算机的。其一，堆叠两个“InFO”，即“InFO_SoIS（System on Integrated Substrate）”；其二，在模组（尺寸和晶圆大小相近）上横向排列多个硅芯片（Silicon Die，或者Chip），再通过“InFO”结构，使芯片和输入/输出端子相互连接，即“InFO_SoW（System on Wafer）”。

用于超高性能计算机的“InFO”的改良技术，左侧为支持超高波段（毫米波）的“InFO_SoIS（System on Integrated Substrate）”的断面图，右侧为在大小近似于晶圆的模组上排列多个芯片（Die）的“InFO_SoW（System on Wafer）”的封装事例（概念图）。

首先，我们介绍一下堆叠了两个“InFO”的“InFO_SoIS（System on Integrated Substrate）”的技术概要。在演讲幻灯片中展示的“InFO_SoIS”封装中展示了如下结构。首先，在RDL（线路重布层，Redistribution Layer）上放置SoC（System on a Chip）芯片和I/O芯片，通过RDL将信号线和电源线引到下面。这种结构被称为“InFO 1”。被引到下面的信号线和电源线经由微型凸块（Micro Bump）与具有多层排线结构的树脂基板（RDL）相连接。在多层树脂基板的底部广泛分布着将信号线和电源线引出的凸块（Bump），且凸块的间距（Pitch）比InFO 1更宽。这种结构被称为“InFO 2”。此外，树脂基板的四周还设计有防止翘曲的“加强环（Stiffener Ring）”。

“InFO_SoIS”的构造图（左）、试做事例（右）。出自TSMC“Hot Chips 33 演讲

试做的“InFO_SoIS”封装品将一个SoC、四个I/O 芯片容纳于InFO 1中，下部由InFO 2支撑。尺寸为91毫米见方。硅芯片（Silicon Die）全部为良品，封装、组装的良率超过95%。此外，100毫米见方的“InFO_SoIS”的封装良率达到了100%。

且对试做的“InFO_SoIS”封装品和传统的树脂基板（GL102）在毫米波带中的损耗进行了比较。在28GHz情况下，插入损耗（温度25度一一125度）减少了约25%，在50GHz下，减少了约30%。

“InFO_SoIS”在毫米波带上的插入损失，并与传统的树脂基板（GL102）进行比较。左下的表格为28GHz和50GHz的相对值（把传统基板视为单位“1”），右下方的图表为插入损失的周波特性

InFO实现了晶圆级超大处理器

上文中，我们介绍了支持毫米波信号的“InFO_SoIS”的概要，下面我们介绍晶圆级（Wafer Scale）的超大型封装技术一一“InFO_SoW”的概要。“InFO_SoW”技术被AI初创公司Cerebras Systems研发的晶圆级深度学习处理器“WSE（Wafer Scale Engine）”采用。WSE的芯片尺寸极大，为215毫米见方，与直径为300毫米的硅晶圆相匹配。

“InFO_SoW”技术的特点如下，将大规模系统（由大量的硅芯片组成）集成于直径为300毫米左右的圆板状模组（晶圆状的模组）上。通过采用InFO技术，与传统的模组相比较，可以获得更小型、更高密度的系统。

“InFO_SoW”技术的特点（上）、结构（左下）、研发事例（右下）

模组的构成如下：晶圆状的放热模组（Plate）、硅芯片（Silicon Die）群、InFO RDL、电源模组、连接器等。硅芯片群的相互连接、硅芯片群和电源模组以及连接器之间的连接都借由RDL完成。

比较利用倒装芯片（Flip Chip）技术的Multi-chip-module（MCM）和“InFO_SoW”

演讲中，还比较了采用倒装芯片（Flip Chip）技术的Multi-chip-module（MCM）和“InFO_SoW”。与MCM相比，相互连接的排线宽度、间隔缩短了二分之一，排线密度提高了两倍。此外，单位面积的数据传输速度也提高了两倍。电源供给网络（PDN）的阻抗（Impedance）明显低于MCM，仅为MCM的3%。

CoWoS：十年五代的封装技术

如上文所述，TSMC根据中间基板（Interpoer）的不同，把“CoWoS”分为三种类型。*，把硅（Si）基板当做中间基板，即CoWoS_S（Silicon Interposer），这就是在2011年研发的最初的“CoWoS”技术，与过去的“CoWoS”相比，它的先进之处在于，它是一种把硅基板当做中间基板的先进封装技术。

第二为“CoWoS_R（RDL Interposer）”，即把RDL（线路重布层，Redistribution Layer）当做中间基板。第三为“CoWoS_L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）”，即把小型的硅芯片(Silicon Die)和RDL当做中间基板。但是，需要读者留意的是，TSMC把“Local Silicon Interconnect”缩写为“LSI”。

“CoWoS_S（原来的CoWoS）”的断面结构图。即2.5D封装的代表事例。通过在作为中间基板（Interposer）的硅基板上形成高密度排线、硅通孔（TSV），不仅可以高密度地放置硅芯片（Silicon Die），还可以高速传输信号

“CoWoS_S（原来的CoWoS）”是在2011年开发的，且被称为“*代（Gen-1）”。被Xilinx的高端FPGA等产品采用。硅制中间基板的*尺寸为775平方毫米（25mmx31mm）。几乎接近于一张Reticle 的曝光尺寸（26mm×33mm，ArF液浸式扫描情况下）。即，FPGA芯片（Die）的生产技术为28纳米的CMOS工艺。就采用了此款技术的Xilinx的高端FPGA“7V2000T”而言，将四颗FPGA逻辑芯片搭载于“CoWoS_S”上。

就2014年研发的第二代“CoWoS_S”而言，硅制中间基板的尺寸扩大到了1,150平方毫米。接近于1.5张Reticle的曝光面积（1,287平方毫米）。在2015年，被Xilinx的高端FPGA“XCVU440”采用。搭载了三颗FPGA的逻辑芯片。FPGA芯片的制造技术为20纳米的CMOS工艺。

就2016年研发的第三代“CoWoS_S”而言，虽然硅制中间基板的尺寸没有什么变化，但是首次混合搭载了高速DRAM模组（HBM）、逻辑芯片。在2016年，被NVIDIA的高端GPU（GP100）采用。混合搭载了GPU芯片和“HBM2”。“HBM2”为硅芯片（Silicon Die）压层模组（通过TSV将四颗DRAM芯片和一颗Base Die（位于最下层）连接起来），“GP100”上搭载了四颗HBM2模组。将容量为16GB（128GBit）的DRAM和GPU高速连接。

就2019年研发的第四代“CoWoS_S”而言，硅制中间基板的尺寸扩大至相当于两张Reticle的曝光面积。几乎达到了1,700平方毫米。这款大型的中间基板上混合搭载了大规模的逻辑芯片和六个HBM2。单个HBM2的存储容量增加到了8GB（64GBit），因此合为计48GB（384 GBit），容量是第三代的三倍。

“CoWoS_S（原来的CoWoS）”的发展历程。从2011年的*代到2021年的第五代，一直在改良

如上所述，原本中间基板的尺寸就很大，如今愈来愈大。*代的面积为775mm2（相当于一张Reticle），第二代和第三代的面积相当于1.5张Reticle，分别为1,150mm2、1,170mm2。第四代面积进一步增大，相当于两张Reticle，为1,700mm2。

最初搭载在中间基板上的硅芯片（Silicon Die）为多个逻辑芯片（Logic Die），第三代以后开始混搭逻辑芯片和存储芯片。即开始混合搭载逻辑芯片（SoC）、高速DRAM模组“HBM（High Bandwidth Memory）”的压层芯片（Die）群。具体而言，一颗SoC芯片和四颗HBM（4Gbit*4颗，合计为16Gbit）。就第四代而言，在SoC芯片面积（集成程度）扩大的同时，混搭的HBM增至六个。通过将单个HBM的存储容量增加两倍，使HBM的总容量较第三代增长了三倍（48Gbit）。

就今年（2021年）第五代（CoWoS_S，原来的CoWoS）而言，硅制中间基板的面积扩大至2,500mm2，相当于三张Reticle，同时，搭载了八个HBM，这相当于第三代的两倍。逻辑硅芯片（Logic Silicon Die）还是Chiplet，两颗Mini-die被放置在1,200mm2的区域内。可搭载的HBM的规格为“HBM2E（即HBM的第二代强化版）”。

就硅制中间基板的RDL（线路重布层，Redistribution Layer）而言，通过提高铜（Cu）排线的厚度，使方块电阻（Sheet Resistance）减少了一半（甚至更多）。通过5层铜排线使硅芯片（Silicon Die）相连接。此外，为了进一步减少硅通孔(Through Silicon Via, TSV)的高频损耗，针对TSV进行了再次设计。在2GHz～14GHz高频带的插入损耗（S21）为0.1dB（甚至更高），重新设计后为0.05dB。此外，通过将“嵌入式深沟电容（eDTC，embedded Deep Trench Capacitor）”装入硅制中间基板，稳定了电源系统。eDTC的容量密度为300nF/mm2。在100MHz~2GHz频带，电源分布网络（PDN）的电阻抗（Impedance）减少了35%（得益于eDTC）。