先進封裝賦能AI芯片，龍頭企業(yè)加速布局

作者：鵬程

近日，先進封裝相關(guān)項目傳來新的動態(tài)，涉及華天科技、通富微電、盛合晶微等企業(yè)。頻繁的項目動態(tài)刷新和先進封裝技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，不斷吸引著業(yè)界關(guān)注。

在摩爾定律發(fā)展趨緩的大背景下，通過先進封裝技術(shù)來滿足系統(tǒng)微型化、多功能化，成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。隨著先進封裝技術(shù)的聲名鵲起，引來一眾行業(yè)廠商群雄競逐。封測產(chǎn)業(yè)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的地位愈發(fā)重要，有望成為集成電路產(chǎn)業(yè)新的制高點，同時也將迎來更多發(fā)展機遇。

?01、封裝技術(shù)發(fā)展和先進封裝技術(shù)的興起

自1947年美國電報電話公司（AT&T）發(fā)明第一只晶體管以來，半導(dǎo)體封裝技術(shù)便隨之誕生。最初，封裝的主要目的是將微小的半導(dǎo)體晶粒保護起來，防止其受到外界環(huán)境的污染和損壞，同時提供電氣連接以實現(xiàn)在電路中的功能。

在20世紀(jì)50年代，半導(dǎo)體封裝技術(shù)主要以TO（小型晶體管外殼）封裝為主，它使用陶瓷或金屬作為外殼材料，具有三根引腳，用于連接電路和提供電氣接口。這種封裝形式雖然簡單，但為后續(xù)的封裝技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

進入20世紀(jì)60年代，隨著中小規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體封裝技術(shù)也迎來了重要的轉(zhuǎn)折點。為了適應(yīng)集成電路晶粒上晶體管數(shù)量的增加和I/O數(shù)量的提高，封測企業(yè)開發(fā)出了DIP（雙列直插式封裝）封裝形式。

到了20世紀(jì)70-80年代，隨著大規(guī)模集成電路（LSI）技術(shù)的出現(xiàn)和表面貼裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展，半導(dǎo)體封裝技術(shù)迎來了新的變革。荷蘭飛利浦公司率先開發(fā)出第一代適用于SMT工藝的扁平封裝形式——SOP（小外形封裝）。

扁平封裝技術(shù)的發(fā)展，不僅滿足了集成電路技術(shù)發(fā)展的需求，也為后續(xù)先進封裝技術(shù)的創(chuàng)新提供了思路。20世紀(jì)90年代球型矩陣封裝的出現(xiàn)，滿足了市場對高引腳的需求，改善了半導(dǎo)體器件的性能。隨著科技的不斷進步，電子產(chǎn)品的功能越來越強大，但體積卻越來越小。這種趨勢對電子封裝技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的封裝方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品的需求，因此，先進封裝技術(shù)應(yīng)運而生。

先進封裝技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)90年代。當(dāng)時，集成電路的規(guī)模越來越大，晶體管的數(shù)量已經(jīng)達到了數(shù)百萬甚至數(shù)千萬級別。傳統(tǒng)的封裝方式已經(jīng)無法滿足大規(guī)模集成電路的封裝需求，因此，一些先進的封裝技術(shù)開始被研發(fā)出來。進入21世紀(jì)后，隨著5G、自動駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，對半導(dǎo)體封裝技術(shù)提出了更高的要求。

先進封裝技術(shù)包括晶圓級封裝（WLCSP）、3D堆疊封裝、系統(tǒng)級封裝（SiP）等多種形式。其中，WLCSP技術(shù)通過在同一封裝中實現(xiàn)多個集成電路的異質(zhì)結(jié)合和存儲芯片堆疊，顯著提高了封裝密度和性能。3D堆疊封裝技術(shù)則通過將多個芯片正面朝下放置在彼此的頂部，實現(xiàn)了更高的集成度和更快的信號傳輸速度。SiP技術(shù)則通過將多個功能不同的芯片封裝在一個封裝體內(nèi)，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的功能集成和簡化。

?02、后摩爾時代，先進封裝大有可為

隨著摩爾定律日漸趨緩，芯片先進制程提升的速度放慢，在后摩爾定律時代，先進封裝成為提升系統(tǒng)整體性能的重要突破口，行業(yè)開始由之前的“如何把芯片變得更小”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾伟研酒獾酶　保冗M封裝成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重點方向。傳統(tǒng)封裝的功能主要在于保護芯片、電氣連接，先進封裝則在此基礎(chǔ)上增加了提升功能密度、縮短互聯(lián)長度、進行系統(tǒng)重構(gòu)三項新功能。

先進封裝是在不考慮提升芯片制程的情況下，努力實現(xiàn)芯片體積的微型化、高密度集成，同時降低成本，這種技術(shù)的提升符合高端芯片向更小尺寸、更高性能、更低功耗方向演進的趨勢。

先進封裝主要朝兩個方向發(fā)展，第一是向上游晶圓制程領(lǐng)域發(fā)展（晶圓級封裝），直接在晶圓上實施封裝工藝，主要技術(shù)有Bumping、TSV、Fan-out、Fan-in 等；第二是向下游模組領(lǐng)域發(fā)展（系統(tǒng)級封裝），將處理器、存儲等芯片以及電容、電阻等集成為一顆芯片，壓縮模塊體積，提升芯片系統(tǒng)整體功能性和靈活性，主要技術(shù)包括采用了倒裝技術(shù)（FC）的系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品。

先進封裝技術(shù)通常采用更可靠的材料和工藝，如使用先進的絕緣材料和密封技術(shù)，以確保封裝體的穩(wěn)定性和可靠性。這些技術(shù)可以降低封裝體因環(huán)境因素（如溫度、濕度等）引起的失效風(fēng)險。先進封裝技術(shù)還允許將不同類型的芯片和組件集成在一起，形成異質(zhì)集成。這種靈活性使得設(shè)計人員可以根據(jù)需要選擇最佳的芯片和組件組合，以滿足特定的性能需求。

雖然先進封裝技術(shù)的初期投資可能較高，但長期來看，它可以降低整體制造成本。通過提高集成度和優(yōu)化性能，先進封裝技術(shù)可以減少所需的芯片和組件數(shù)量，從而降低材料成本。此外，先進封裝技術(shù)還可以提高生產(chǎn)效率，進一步降低制造成本。

?03、AI成先進封裝新動能， 國產(chǎn)封測大廠擴產(chǎn)布局

隨著AI芯片需求的增加，先進封裝技術(shù)在提高芯片性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些技術(shù)不僅提升了芯片的傳輸和運算速度，還實現(xiàn)了芯片整體性能的提升，使得芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高密度集成、體積微型化以及成本降低。這主要是因為摩爾定律的放緩，使得單純依靠先進制程來提升算力性價比越來越低。AI 及高性能運算芯片廠商目前主要采用的封裝形式之一是臺積電CoWos。

據(jù)臺積電預(yù)計，AI加速發(fā)展帶動先進封裝CoWos需求快速增長，目前其CoWos產(chǎn)能供應(yīng)緊張，2024-2025 年將擴產(chǎn)，2024年其CoWos產(chǎn)能將實現(xiàn)倍增。其中，由于CoWoS設(shè)備交期仍長達8個月，公司11月通過整合扇出型封裝（InFO）改機增加CoWoS月產(chǎn)能至1.5萬片；客戶端，英偉達占臺積電CoWoS總產(chǎn)能比重約40%，AMD占比約8%。

目前，臺積電以外的供應(yīng)鏈可增加20%CoWos產(chǎn)能。近年來國內(nèi)外大廠積極推出相關(guān)產(chǎn)品，比如AMD Milan-X、英偉達 H100、蘋果M1 Ultra、英特爾Sapphire Rapids、華為鯤鵬920 等。同時，隨著Chiplet 進一步催化先進封裝向高集成、高 I/O 密度方向迭代，驅(qū)動國際巨頭企業(yè)不斷加碼先進封裝領(lǐng)域。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2026 年先進封裝全球市場規(guī)模475億美元，2020-2026年復(fù)合年均增長率（CAGR）約7.7%。

據(jù) Omdia預(yù)測，隨著 5G、AI、HPC 等新興應(yīng)用領(lǐng)域需求滲透，2035 年全球 Chiplet 市場規(guī)模有望達到 570 億美元，2018-2035 年 CAGR 為 30.16%。隨著中國大陸在先進封裝領(lǐng)域的產(chǎn)值占全球的比例不斷提升，國產(chǎn)廠商在2.5D、3D先進封裝方面進行了重要布局，并取得了一定的突破。

長電科技：作為國內(nèi)領(lǐng)先的封測企業(yè)之一，長電科技在先進封裝領(lǐng)域有著顯著的布局。2023年，在高性能先進封裝領(lǐng)域，長電科技推出的XDFOI Chiplet高密度多維異構(gòu)集成系列工藝已按計劃進入穩(wěn)定量產(chǎn)階段。該技術(shù)是一種面向Chiplet的極高密度、多扇出型封裝高密度異構(gòu)集成解決方案，其利用協(xié)同設(shè)計理念實現(xiàn)了芯片成品集成與測試一體化，涵蓋2D、2.5D、3D集成技術(shù)。2023年6月，長電微電子晶圓級微系統(tǒng)集成高端制造項目廠房正式封頂。該項目聚焦全球領(lǐng)先的2.5D/3D高密度晶圓級封裝等高性能封裝技術(shù)，面向全球客戶對高性能、高算力芯片快速增長的市場需求，提供從封裝協(xié)同設(shè)計到芯片成品生產(chǎn)的一站式服務(wù)。2023年8月，長電科技開工建設(shè)專業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)車規(guī)級芯片成品的先進封測旗艦工廠，項目自開工以來全力加速建設(shè)，現(xiàn)已完成基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)備并進入全面施工階段，項目預(yù)計于2025年上半年實現(xiàn)設(shè)備進廠。

通富微電：通富微電在Chiplet等先進封裝技術(shù)方面取得了重要進展，并已具備Chiplet量產(chǎn)能力。他們?yōu)槎鄠€國際客戶提供晶圓級和基板級Chiplet封測解決方案。臺積電所用的CoWoS是2.5D封裝的典型代表，通富微電同樣具有較強的技術(shù)儲備和產(chǎn)業(yè)化能力。通富微電2016年收購AMD蘇州和檳城兩家工廠，與AMD形成“合資+合作”的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，承擔(dān)了AMD包括數(shù)據(jù)中心、客戶端、游戲和嵌入式等板塊80%以上的封測業(yè)務(wù)，并且雙方的合同已經(jīng)續(xù)簽到2026年。今年5月份，通富微電先進封裝項目簽約落戶蘇錫通科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)。此外，通富微電于4月發(fā)布公告稱，擬收購京隆科技26%的股權(quán)。京隆科技于2002年9月30日成立，是全球半導(dǎo)體最大專業(yè)測試公司京元電子在中國大陸地區(qū)的唯一測試子公司，服務(wù)領(lǐng)域包括晶圓針測、IC成品測試及晶圓研磨/切割/晶粒挑揀。

華天科技：作為半導(dǎo)體封裝行業(yè)的領(lǐng)先者，華天科技已經(jīng)掌握了FC、WB、FC+WB、FO、eSiFO、3D eSinC等封裝工藝。華天科技憑借其卓越的EMI屏蔽技術(shù)、分腔屏蔽技術(shù)以及創(chuàng)新的DSM（雙面塑封）封裝工藝，已經(jīng)成功克服了SiP（系統(tǒng)級封裝）中多個芯片高密度組合可能帶來的電磁干擾和兼容性問題，確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。華天科技同樣在先進封裝領(lǐng)域進行了深入布局。Chiplet在國內(nèi)剛剛起步，業(yè)界很多用于Chiplet的3D封裝技術(shù)都是以臺積電的3D fabric為藍本進行技術(shù)創(chuàng)新。

但是，華天科技推出的eSinC技術(shù)屬于獨立自主開發(fā)的Chiplet封裝技術(shù)，無論是對公司打開Chiplet高端封裝技術(shù)領(lǐng)域，還是對國內(nèi)發(fā)展Chiplet產(chǎn)業(yè)都具有重大意義。

未來，在此技術(shù)基礎(chǔ)上進一步結(jié)合fine pitch RDL、hybrid bond、高級基板等平臺技術(shù)，可以進一步提升封裝密度，建立完整的Chiplet封裝平臺。今年5月份，華天科技還在浦口經(jīng)濟開發(fā)區(qū)簽約落戶盤古半導(dǎo)體先進封測項目。這是華天科技自2018年入駐南京以來，在該地區(qū)布局的第四個重要產(chǎn)業(yè)項目，累計投資總額已超過300億元。

總的來說，先進封裝技術(shù)在AI領(lǐng)域的應(yīng)用正推動著整個行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)在這一領(lǐng)域的布局和突破也預(yù)示著其在全球半導(dǎo)體市場的競爭中將扮演越來越重要的角色先進封裝不僅帶動了封裝企業(yè)受益，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的設(shè)備材料企業(yè)也獲益匪淺。此外，先進封裝的巨大市場還吸引了前道晶圓廠商向下游延伸，積極布局先進封裝市場。

?04、晶圓代工廠與IDM廠商入駐先進封裝

先進封裝處于晶圓制造與封測中的交叉區(qū)域。先進封裝更多在晶圓層面上進行，采用前道制造方式來制作后道連接電路，工藝流程的相似性使得兩者使用設(shè)備也大致相同。

具體來講，先進封裝技術(shù)要求在晶圓劃片前融入封裝工藝步驟，包括晶圓研磨薄化、線路重排（RDL）、凸塊制作（Bumping）及三維硅通孔（TSV）等工藝技術(shù)。這些工藝流程與前道制造方式的相似性，使得兩者使用的設(shè)備大致相同。例如，倒裝工藝需要采用植球、電鍍、光刻、蝕刻等前道制造的工藝，而2.5D/3D封裝TSV技術(shù)則需要光刻機、涂膠顯影設(shè)備、濕法刻蝕設(shè)備等。這種技術(shù)發(fā)展模糊了前后道設(shè)備之間的界限，催生了中道設(shè)備新賽道，為設(shè)備領(lǐng)域帶來了新的變局。先進封裝偏向前道工藝，這使得晶圓代工廠與IDM廠商在該領(lǐng)域具有天然先發(fā)優(yōu)勢。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2021年，少數(shù)幾家IDM企業(yè)和晶圓代工廠加工了超過80%的先進封裝晶圓。晶圓廠在前道制造環(huán)節(jié)的經(jīng)驗更豐富，能夠深入發(fā)展需要刻蝕等前道步驟的TSV技術(shù)，因而在2.5D/3D封裝技術(shù)方面較為領(lǐng)先。甚至很多先進封裝工藝本身便是來自于前道晶圓大廠。臺積電、索尼、力成、德州儀器（TI）、SK海力士、聯(lián)電等也積極布局先進封裝產(chǎn)能，進一步加劇先進封裝市場競爭格局。