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【制造/封测】先进封装成为“先进”的背后

来源:中国电子报    原作者:张心怡    

曾经,传统封测在半导体产业链中并不是很起眼的环节。先进封装的出现,让业界看到了通过电子封装推动芯片高密度集成、性能提升、体积微型化和成本下降的巨大潜力。随着摩尔定律步伐放缓,电子封装进一步成为推动半导体发展的关键力量之一。

11月3日,国家科学技术奖励大会在北京举行。由华中科技大学、华进半导体封装先导技术研发中心有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、江苏长电科技股份有限公司、通富微电子股份有限公司、华天科技(昆山)电子有限公司、苏州旭创科技有限公司、中国电子科技集团公司第五十八研究所、香港应用科技研究院有限公司、武汉大学合作完成的“高密度高可靠电子封装关键技术及成套工艺”,荣获国家科学技术进步奖一等奖。随着后摩尔时代来临,先进封装正在成为半导体产品性能提升的必由之路,也成为推动国内集成电路产业集聚发展的重要动力。

意义:先进封装是半导体性能提升关键力量

“到了后摩尔时代,我们已经不再单纯以线宽线距和集成度的尺寸论英雄,而是更多地考虑如何提升系统的性能以及如何在整个微系统上提升集成度。为寻求提升集成电路产品系统集成、高速、高频、三维、超细节距互连等特征,封装的作用愈发凸显。先进封装已经成为超越摩尔的关键赛道,集成电路的成品制造环节的创新能力和价值越来越强。” 长电科技首席执行长郑力向《中国电子报》表示。

先进封装在诞生之初以WLP(晶片级封装)为主,后期进一步向三维发展。目前主流的先进封装包括凸块、SiP(系统级封装)、WL-CSP(晶圆级封装)、FOWLP(扇出封装)、FC(倒装)、eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)、PiP(堆叠组装)、PoP(堆叠封装)等,2.5D封装和3D封装技术也逐步成熟并进入商用。

华进半导体封装先导技术研发中心有限公司技术副总孙鹏博士向《中国电子报》指出,先进封装对半导体的提升作用包括五个方面:一是实现芯片封装小型化、高密度化、多功能化;二是降低产品功耗、提升产品带宽、减小信号传输延迟;三是可实现异质异构的系统集成;四是延续摩尔定律,提升产品性能的有效途径;五是降低先进节点芯片的设计复杂度和制造成本,缩短开发周期、提高产品良率。

本次获奖的“高密度高可靠电子封装关键技术及成套工艺”解决了电子封装行业知识产权“空心化”和“卡脖子”难题,实现了高密度高可靠电子封装从无到有、由传统封装向先进封装的转变。

湖南越摩先进半导体CTO、获奖项目参与者之一谢建友向《中国电子报》指出,高密度是指制程微缩使单位面积的晶体管数量越来越多,I/O也越来越多,封装密度持续提升。高可靠是指芯片封装在高冷、高热、真空等极端环境下会发生翘曲变形等问题,导致芯片失效。所以在封装过程中,选择什么杨氏模量、CTE(热膨胀系数)、泊松比、收缩率、介电常数、损耗角、热导率的材料,选择怎样的胶水等,要经过大量仿真验证。

除了技术研发,本次项目还锤炼了电子封装的研发体系。谢建友表示,项目推动形成了协同设计、多物理域仿真以及芯片-封装-系统三级联仿的方法论。通过仿真测试、回归验证、积累数据,进一步提升研发效率和投片成功率,并降低试错成本和缩短产品上市周期。

“有时候芯片公司内部测试没有问题,到客户端一用回流焊,裂片、性能不达标、参数不对等各种问题都出来了,这不是电性能的问题,很多时候是力学、热学、流体的问题。通过更加先进的研发方法论,我们可以在仿真模型上进行参数调整,在模型的达到平衡之后再去测试,提升流片成功率。”谢建友说。

原因:三大因素促进我国封装产业能力提升

在半导体产业链主要环节中,封装是中国话语权较强的一环,长电科技、通富微电、天水华天均进入封测企业全球营收前十。

孙鹏表示,我国半导体产业可追溯到20世纪60年代,国内建立了一批半导体生产企业。到了上世纪70年代,部分企业开始参与小规模集成电路研发,在晶圆制造、封装等方面也有所涉猎,为半导体产业发展打下基础。进入21世纪后,随着国际半导体产业向东亚地区转移,国内在江苏无锡、苏州等地形成了产业链集聚区,涌现了如长电科技、通富微电、晶方科技等封测企业。随着企业规模持续增长,国内企业开始由购买国外专利技术向自主研发转型,封装技术由低端向中高端拓展。同时通过企业并购,积极引进吸收国外先进技术,实现企业规模和技术实力提升。

郑力指出,我国封装产业能力的构建主要得益于三个因素。首先是生产成本与市场方面的优势,使封装测试成为全球集成电路产业中最先向我国转移的环节;其次,我国封测企业进入行业时间较早、技术研发持续性较好;最后,我国封测龙头企业抓住时机,对国外优质标的大胆收购,实现了产业能力的跨越式发展。

国内封装产业的发展经验,能否给其他半导体环节提供借鉴?孙鹏表示,半导体各产业环节应尊重产业发展规律。产业发展壮大需要持续的投入,需要政策支撑与企业立足于市场的研发形成合力。同时,需要产业链协同发展,封装产业壮大离不开国内设计、终端企业做大做强,未来产业的持续发展也离不开国内装备、材料企业的支撑。

随着封装逐渐成为半导体向高性能、高密度发展的驱动力量,封测产业也在成为国内发展半导体产业集群的重要助力。

“纵观世界各国和地区半导体产业发展历程,封装产业往往成为半导体产业‘追赶者’的排头兵。以韩国、中国台湾地区的产业崛起过程来看,产业发展均始于封装转移的浪潮,通过最先在封装环节立足,构建产业基础和集聚效应;通过向上游拓展并引进吸收先进技术,逐步演变为设计、制造和封装三个环节相互支撑的产业格局。”孙鹏说。

未来:产业协同持续提升市场竞争力

在数字化、低碳环保、消费电子轻量化等趋势的推动下,先进封装正在迎来广阔的发展空间。谢建友表示,先进封装的市场需求来自五个方面。一是新能源的功率模块及宽禁带半导体器件,包括电动汽车、太阳能、风能等领域的器件封装需求。二是AI和高性能计算,中国是全球最大的半导体应用市场,DPU、VPU、NPU、RISC-V等新产品、新架构层出不穷。加上国内芯片设计公司的技术水平持续提升,也对封装技术提出了更高的要求。三是可穿戴设备,需要将几百个器件封装在极其微缩的产品中。四是医疗技术。五是用于物联网的传感器。

谢建友为记者举了个例子,从前心脏起搏器有鼠标的一半大小,现在通过TSV(硅通孔)将三个芯片叠起来,再放入载板、电池等元器件进行封装,可以将心脏起搏器的体积缩小到胶囊大小,植入到患者的心室。由于起搏器与心脏的距离更近,能感受到更微弱的信号,只需要更小的脉冲电流就能让心脏复跳,从而在超微型化的胶囊内让起搏器仍然具有10-12年的使用寿命。

“先进封装会对医疗技术带来革命性的改变。未来可以通过先进封装,将心率、血氧、血压、体温等检测功能都做进TWS耳机,这是对人类健康与幸福的改善。”谢建友说。

面对不断涌现的市场机遇,从传统封装持续向先进封装转变,是国内封装产业提升市场竞争和盈利能力的必由之路。

在技术层面,企业要认识到封装在半导体产业的定位变化,持续提升基础研发能力。郑力指出,现在产业发展的趋势很清晰,就是要靠集成电路的后道成品制造技术来驱动集成电路向高性能、高密度发展。“封装”这个词已经不能很好表达“先进封装”的含义,以及高密度封装的技术需求和技术实际状态,用“芯片成品制造”去描述更为贴切,更能反映当下的集成电路最后一道制造流程的技术含量和技术内涵。这就要求投入这个领域的从业者要有更强的决心和信心,“板凳要坐十年冷”,宁可花费“十年”时间打磨一项技术,不能抱着赚快钱的心态。

在产业协同方面,要提升与上下游企业的联动能力。谢建友指出,目前立讯、歌尔等模组企业正在向封装延伸,台积电等晶圆制造厂商也在加大封装投入。与此同时,封装也在向上下环节扩展,不仅做模组,也通过晶圆级封装向前道延伸。这需要封测企业与上下游企业形成更好的协作。郑力也表示,要重点扶持现有半导体成熟产业链向纵深发展。共同推动前后道企业协同设计,在芯片前期规划和设计时就把前道的晶圆制造和后道的成品制造联系在一起,提高芯片整体性能和良率,提升我国集成电路领域在后摩尔时代的竞争力。

在产业链完善程度方面,需要配套的装备产业、材料产业等协同进步。

“先进封装对材料,特别是高端基板材料和晶圆级封装材料,以及化学机械抛光和倒装封装设备的需求和要求都在不断增加,这需要材料、设备和工艺三方的紧密合作与努力。同时,要密切关注从系统、芯片、封装到产品测试的共同设计和协同合作,以及对Chiplet的理解与实际应用。”郑力说。

在资源配置方面,要发挥本地资源优势,并形成区域间的分工协作。孙鹏指出,要发挥本地资源和政策优势承接区内转移产业。坚持以市场为导向,规范招商引资行为,促进产销市场要素的充分流动,实现资源最佳配置。通过承接产业转移吸纳发达地区高新技术,形成产业结构调整和升级的新机制,加快产业升级步伐。另一方面,要以加强各城市间专业化分工协作为导向,推动产业高端化发展。找到不同城市差异化定位,明确自身优势与资源,与区域其他城市共谋产业协同错位、互补互促。

封面图片来源:拍信网