如何破除對先進(jìn)制程的依賴？先進(jìn)封裝是出路之一從CoWoS 到 CoPoS

近期，由Manz亞智科技主辦的“FOPLP、TGV、異質(zhì)整合結(jié)構(gòu)芯片封裝技術(shù)創(chuàng)新論壇”在蘇州成功召開。本次論壇以“‘化圓為方’解鎖高效封裝?? CoPoS賦能芯未來”為主題，全面探討當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展局勢下，封裝產(chǎn)業(yè)新機(jī)遇以及CoPoS、板級封裝、玻璃基板等技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展?jié)撃堋?/p>

在論壇開幕致辭中，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副秘書長兼封測分會秘書長徐冬梅指出，“自2024 年以來，中國半導(dǎo)體封測行業(yè)的市場規(guī)模已達(dá)數(shù)百億美元。展望 2030年，隨著人工智能和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，加之政策的大力扶持，中國半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域即將迎來新一輪的蓬勃增長。在這一過程中，中國對先進(jìn)封裝技術(shù)的投資預(yù)計將達(dá)到目前的三倍，從而推動整個行業(yè)向高端化和專業(yè)化邁進(jìn)?！?/p>

值得一提的是，在當(dāng)前的大環(huán)境及集成電路產(chǎn)業(yè)背景下，先進(jìn)封裝更為市場和輿論關(guān)注。近日中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會集成電路設(shè)計分會理事長魏少軍教授在其題為《中國芯片設(shè)計業(yè)要自強(qiáng)不息》的主旨報告中指出，我國集成電路產(chǎn)業(yè)應(yīng)更加關(guān)注不依賴先進(jìn)工藝的設(shè)計技術(shù)，并提出兩條可行路徑，其一為架構(gòu)的創(chuàng)新，其二為微系統(tǒng)集成。所謂微系統(tǒng)集成即包含2.5D/3D封裝、Chiplet、FOWLP等先進(jìn)封裝技術(shù)。

01、從CoWoS 到 CoPoS

在算力時代，隨著英偉達(dá)GPU的破圈大熱，其芯片背后的重要功臣——先進(jìn)封裝技術(shù)CoWoS也被大眾所熟知。通過先進(jìn)制程+先進(jìn)封裝的組合，臺積電賺得盆滿缽滿。

此前，臺積電董事長魏哲家表示，客戶對CoWoS先進(jìn)封裝需求遠(yuǎn)大于供應(yīng)，盡管臺積電今年增加CoWoS產(chǎn)能超過2倍，仍供不應(yīng)求。至2024年底，臺積電CoWoS 月產(chǎn)能約3.5萬片，2024全年產(chǎn)出約30至32萬片，臺積電并規(guī)劃在2025年底將月產(chǎn)能提高至6萬片以上；CoWoS在2022年至 2026年產(chǎn)能CAGR將達(dá)50%以上。據(jù)報道，為應(yīng)對市場需求的激增，臺積電籌劃著對CoWoS先進(jìn)封裝工藝提價，價格可能上漲10%至20%。

在后摩爾時代，先進(jìn)制程工藝演進(jìn)逼近物理極限，先進(jìn)封裝成了延續(xù)芯片新能持續(xù)提升的道路之一，其重要性和價值不可估量，這也是魏少軍將微系統(tǒng)集成作為我國集成電路產(chǎn)業(yè)不依賴先進(jìn)工藝的持續(xù)迭代路線的原因。

當(dāng)下，CoWoS技術(shù)主要由臺積電掌握，其短期內(nèi)對于CoWoS技術(shù)的演進(jìn)路線，是從CoWoS-S轉(zhuǎn)向更具潛力的CoWoS-L技術(shù)，后者在靈活性、經(jīng)濟(jì)性等方面較前者更優(yōu)。更長遠(yuǎn)來看，產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為CoPoS技術(shù)將會是CoWoS技術(shù)的未來。

Manz集團(tuán)亞洲區(qū)銷售副總經(jīng)理簡偉銓表示，“相較于傳統(tǒng)封裝方式，面板級封裝提供了更大的生產(chǎn)靈活性、可擴(kuò)展性和成本效益，同時能夠在一次封裝過程中處理更多的芯片，顯著提高了封裝效率和芯片產(chǎn)能，能有效緩解CoWoS先進(jìn)封裝產(chǎn)能吃緊，導(dǎo)致AI芯片供應(yīng)不足的問題?！?/p>

CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）屬于晶圓級封裝，其將芯片堆疊起來再封裝于基板上，最終形成 2.5D、3D 的形態(tài)，能減少芯片空間，還可降低功耗和成本。而CoPoS （Chip-on-Panel-on-Substrate）可以看作是CoWoS的面板化解決方案。

盡管在稱謂上只是將CoWoS的wafer（晶圓）換成panel（面板），但實際上涉及調(diào)整的地方非常多。如基板的形狀從圓形變?yōu)榉叫?，硅中介層可替換成玻璃中介層或板級封裝RDL材料中介層、BT基板可替換成玻璃基板，在各種互連架構(gòu)中實現(xiàn)的再分配層，包括RDL interposer (CoWoS-R/ CoWoS-L)和玻璃芯基板上的RDL（玻璃版的FC-BGA）。

02、被提上日程的玻璃基板

從上面可以看出，玻璃基板對于CoPoS 工藝非常重要。

事實上，因具備低熱膨脹系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性、高布線密度等特點，玻璃基板被視為半導(dǎo)體下一代基板解決方案。早在去年9月份，英特爾便公開宣布其在玻璃核心基板方面的努力。英特爾表示該技術(shù)將重新定義芯片封裝的邊界，為數(shù)據(jù)中心、人工智能和圖形處理提供具有突破性的解決方案，推動摩爾定律的進(jìn)一步發(fā)展。

Manz集團(tuán)亞洲區(qū)總經(jīng)理林峻生向芯師爺表示，實際上，產(chǎn)業(yè)界對于玻璃基板的研究超過了十年，然而一直沒能量產(chǎn)落地，之所以如此，是因從技術(shù)落地到真正的工業(yè)化量產(chǎn)之間的難度非常大。在英特爾帶頭亮出玻璃基板技術(shù)后，業(yè)界對于這個議題非常感興趣，大家都認(rèn)為只要加大對于技術(shù)的投入，便有機(jī)會在這方面取得突破。在這個情況之下，很多企業(yè)加入到這個賽道當(dāng)中，不局限于封測、IDM企業(yè)，還包括原本做顯示面板、做載板的公司。“在大量的投入之下，我們預(yù)期這會縮短玻璃載板量產(chǎn)落地的時間，或許三四年之后就能看到比較清晰的進(jìn)程?！?/p>

玻璃基板生產(chǎn)工藝包括前端切磨拋、TGV、半加成、電鍍、PVD、CMP、多層RDL等工序，其中TGV 玻璃通孔技術(shù)為玻璃基板技術(shù)難點，最主要的問題是玻璃材料缺乏類似于硅的深刻蝕工藝。TGV通孔的制備需要滿足高速、高精度、窄節(jié)距、側(cè)壁光滑、垂直度好以及低成本等一系列要求。激光誘導(dǎo)刻蝕是目前最有大規(guī)模使用前景的工藝。

此外，玻璃基板和中介層的制造仍存在不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。Manz集團(tuán)亞洲區(qū)研發(fā)部協(xié)理李裕正博士表示，玻璃載板的生產(chǎn)模式跟傳統(tǒng)載板不一樣。在采用激光鐳射處理時，能量不能太高，否則會裂。而且，“有些裂紋甚至很難發(fā)現(xiàn)。所以在做密度高的線路時就會比硅更難?！崩钤Ｕ€強(qiáng)調(diào)，玻璃非常易碎，有可能在傳輸過程中因為機(jī)械震動而出現(xiàn)破裂情況。這意味著傳統(tǒng)晶圓廠中采用天車等運輸晶圓的方式能否在玻璃基板上沿用有待觀察。

盡管玻璃基板相應(yīng)技術(shù)不算成熟，但業(yè)界對其未來一直看好。在這方面大手筆投入的不僅英特爾，三星、臺積電等企業(yè)也在跟進(jìn)當(dāng)中，Manz亞智科技也有相應(yīng)的規(guī)劃。據(jù)了解，Manz亞智科技在RDL制程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了前瞻性的技術(shù)研發(fā)，投入更多研發(fā)力量，轉(zhuǎn)向以玻璃基板為基礎(chǔ)的架構(gòu)，聚焦于高密度玻璃基板與多樣化化學(xué)品等制程材料的合作開發(fā)與制程設(shè)備整合設(shè)計，強(qiáng)調(diào)針對不同類型、不同厚度的玻璃達(dá)成內(nèi)接導(dǎo)線金屬化制程與TGV玻璃通孔制程技術(shù)；以不同溫度控制、流態(tài)行為控制及化學(xué)藥液，有效控制玻璃通孔內(nèi)形狀配置及深寬比，滿足高縱深比的直通孔、高真圓度等制程工藝需求，以此使芯片具備更高頻寬、更大密度和更強(qiáng)散熱能力。

03、還需產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力

“玻璃基板發(fā)展得還不夠成熟，并非下游的需求不夠，反而是下游需求非常強(qiáng)，在推著產(chǎn)業(yè)鏈中上游不斷優(yōu)化技術(shù)與工藝?！崩钤Ｕ┦勘硎?。

半導(dǎo)體行業(yè)在誕生至今的幾十年里有著長足的發(fā)展，其制造與封裝的工藝、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)也在這個過程中不斷地變化，其間任何一個標(biāo)準(zhǔn)或工藝的落地都不止是一家企業(yè)能夠完成的，而是需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)。例如，半導(dǎo)體晶圓從200mm走向300mm，正是整個行業(yè)在付出極大努力后達(dá)成的共識，而未能達(dá)成共識的就如同450mm晶圓。

玻璃基板正在嘗試完成對傳統(tǒng)有機(jī)載板的替代，在行業(yè)的共同推動下，這似乎成了共識，一旦技術(shù)完成突破，其商業(yè)量產(chǎn)進(jìn)程將飛速加快。而Manz亞智科技在創(chuàng)新論壇中所提到的FOPLP/CoPoS面板級封裝，則是在挑戰(zhàn)行業(yè)幾十年下來形成的行業(yè)習(xí)慣。

不過，隨著技術(shù)的成熟，有著優(yōu)越電氣性能、信號傳輸完整性的玻璃基板和在靈活性、經(jīng)濟(jì)效益上更加的面板級封裝將會在行業(yè)內(nèi)得到普及，在下游需求的有效推動下，也會有更多企業(yè)加入到其中，并將之作為行業(yè)共識來普及。

Manz集團(tuán)亞洲區(qū)總經(jīng)理林峻生指出：“為了提供客戶全方位及多元的RDL生產(chǎn)制程設(shè)備解決方案，迎接AI芯片面板級封裝的快速成長商機(jī)，我們積極整合供應(yīng)鏈伙伴，在制程、設(shè)備、材料使用上積極布局，并在我們廠內(nèi)建置試驗線，為客戶在量產(chǎn)前進(jìn)行驗證。面板級封裝將是下一代封裝的新勢頭， Manz亞智科技從 300mm 到 700mm的 RDL生產(chǎn)制造設(shè)備擁有豐富的經(jīng)驗，從我們技術(shù)核心延伸實施到不同封裝和基板結(jié)構(gòu)，確保了客戶在先進(jìn)封裝制程上的靈活性?！?/p>

在本次創(chuàng)新論壇上，Manz亞智科技便邀請了云天半導(dǎo)體、三疊紀(jì)、佛智芯、森丸電子、矽磐微電子等企業(yè)專家共同探討CoPoS、板級封裝、玻璃基板等生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展?jié)撃?。?jù)了解，目前Manz亞智科技單板型PLP RDL技術(shù)已通過L/S 15μm/15μm 的驗證，并處于量產(chǎn)階段。輸送機(jī)類型（直列式）PLP RDL技術(shù)已通過L/S 5μm/5μm 的驗證，也適用于小批量生產(chǎn)。CoPoS技術(shù)中針對RDL增層工藝搭配有機(jī)材料和玻璃基板的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)正在建設(shè)中。