《先进封装技术使得后摩尔定律得以继续》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2019-09-12
  • 近日,华进半导体封装先进技术研发中心有限公司副总经理秦舒表示,摩尔定律的延伸受到物理极限、巨额资金投入等多重压力,迫切需要新的技术延续工艺进步,通过先进封装集成技术,实现高密度集成、体积微型化和更低的成本,使得“后摩尔定律”得以继续。

    而采用以TSV为核心的高密度三维集成技术(3D IC)是未来封装领域的主导技术,3D IC与CMOS技术和特色工艺一起,构成后摩尔时代集成电路发展的三大支撑技术。

    封装要贴近技术发展的需求,封装要贴近市场的需求和应用的需求,而面向物联网、人工智能、5G、毫米波、光电子领域的特色制造技术和定制化封装工艺,是实现中国集成电路特色引领的战略选择。过去我们谈封装,大家看的比较多是我有几条腿引出来,现在都是定制化了,不是给你几条腿,现在多一点的是128条腿,甚至可以做到几千个脚、几千个引线,这就是定制化设置,根据需求设置,这就是封装贴近技术发展的需求。

    现在应用很多,也相应的要求封装多元化。比如人工智能、高性能计算,要求封装的类型是3D SRAM的ASIC,还有终端可扩展计算系统。比如数据中心,需要的封装是包含HBM、ASIC和3D SRAM的大尺寸2.5D封装,包含L3缓存分区的分离芯片的3D ASIC,包含多个光纤阵列的硅光子MCM。比如汽车电子,需求是驾驶辅助系统(ADAS)雷达设备的扇出封装,电动汽车和混合动力汽车中使用的MCU、电源管理系统的WB和IGBT封装模组。比如5G射频、毫米波,对于封装的要求是包含多款异质芯片的多芯片模组(例如LNA、PA、Switch和滤波器等),包含TSV Last工艺的3D集成以及集成天线和被动元器件需求。

    TSV先进封装市场预测。预计2022年TSV高端产品晶圆出片量为60多万片;尽管数量有限,但由于晶片价值高,仍能产生高收入。而高带宽存储器(HBM)正在成为大带宽应用的标准。智能手机中成像传感器的数量不断增加,计算需求不断增长,促使3D SOC市场扩增。预计未来五年,12寸等效晶圆的出货数量将以20%的CAGR增加,从2016年的1.3M增加到2022年的4M。TSV在低端产品中的渗透率将保持稳定,其主要增长来源是智能手机前端模块中的射频滤波器不断增加,以支持5G移动通信协议中使用的不同频带。

    2.5D Interposer市场前景。TSV Interposer是一种昂贵而复杂的封装工艺技术,成本是影响2.5D市场应用的关键因素,需要进一步降低封装或模块的总体成本。2016年到2022年,3D硅通孔和2.5D市场复合年增长率达20%;截至2022年,预计投产400万片晶圆。其市场增长驱动力主要来自高端图形应用、高性能计算、网络和数据中心对3D存储器应用的需求增长,以及指纹识别传感器、环境光传感器、射频滤波器和LED等新应用的快速发展;由于TSV Less 低成本技术的发展,2021年TSV Interposer市场的增速放缓,部分TSV Less技术将逐步替代TSV Interposer以实现2.5D;但部分市场预测,TSV Less技术的开发和商业化将会延迟;同时,为满足高性能计算市场,对TSV Interposer的需求持续增长。TSV Interposer将继续主导2.5D市场,像TSMC&UMC这样的参与者将扩大产能以满足市场需求。总体来看,TSV Interposer 仍具有强劲的市场优势。

    总结来看,目前约75%左右的异质异构集成是通过有机基板进行集成封装,这其中大部分是SiP。余下的约25%是采用其他基板实现异质异构集成,这其中包含了硅转接板、fanout RDL以及陶瓷基板等。随着集成电路制造工艺节点的不断提高,成本却出现了拐点,无论从芯片设计、制造的难度,还是成本,多功能系统的实现越来越需要SiP和异质异构集成。随着人工智能和5G的发展,系统追求更高的算力、带宽,芯片的尺寸和布线密度也都在不断提高,使得2.5D封装的需求开始增加。2.5D系统集成封装涉及的技术和资源包含前道晶圆工艺、中道封装工艺和后道组装工艺,是很复杂的集成工艺,目前掌握全套技术的公司较少。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 半导体技术蓬勃发展,即将面临集成电路微缩化的三纳米制程极限,因此科学家除改善集成电路中电晶体的基本架构外,亦积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度(<1 纳米)的电晶体材料。 台湾团队:单原子层厚度的二极管 台湾成大物理系吴忠霖教授与同步辐射研究中心陈家浩博士所组成的国内研究团队,在全球众多竞争团队中脱颖而出,成功地研发出仅有单原子层厚度(0.7纳米)且具优异的逻辑开关特性的二硒化钨(WSe2)二极管,并在“自然通讯Nature Communications”杂志上发表研究成果。 此二维单原子层二极管的诞生,更加轻薄,效率更高,除了可超越『摩尔定律』进行后硅时代电子元件的开发,以追求元件成本/耗能/速度最佳化的产业价值外,并可满足未来人工智慧芯片与机器学习所需大量计算效能的需求。 二维材料具有许多独特的物理与化学性质,科学家相信这些性质能为计算机和通信等多方领域带来革命性冲击。其中与石墨烯(Graphene)同属二维材料的二硒化钨(WSe2),是一种过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, 简称TMDs),能够在单化合原子层的厚度(约0.7 纳米)内展现绝佳的半导体传输特性,相比以往的传统硅半导体材料,除了厚度上已超越三纳米的制程极限外,可完全满足次世代积体电路所需更薄、更小、更快的需求。 研究团队利用同时兼具高亮度/高能量解析/高显微力的台湾“三高”同步辐射光源,成功观察到可以利用乘载二维材料的铁酸铋(BiFeO3)铁电氧化物基板,能有效地在纳米尺度下改变单原子层二硒化钨半导体不同区域的电性。吴忠霖教授表示,相较以往只能利用元素参杂或加电压电极等改变电性的方式,本研究无需金属电极的加入,为极重大的突破。 本研究利用单层二硒化钨半导体与铁酸铋氧化物所组成的二维复合材料,展示了调控二维材料电性无需金属电极的加入,就能打开和关闭电流以产生1 和0 的逻辑讯号,这样能大幅降低电路制程与设计的复杂度,以避免短路、漏电、或互相干扰的情况产生。此外,由于二维材料的厚度极薄,能如同现今先进的晶圆3D 堆叠技术一样,透过堆叠不同类型的二维材料展现不同的功能性。 透过本研究成果,未来若能将此微缩到极限的单原子层二极管组合成各种积体电路,由于负责运算的传输电子被限定在单原子层内,因此能大幅地降低干扰并能增加运算速度,预期可超过现今电脑的千倍、万倍,而且所需的能量极少,大量运算时也不会耗费太多能量达到节能的效果,其各项优点将对现今的数位科技发展带来重大的影响,也许手机充电一次就能连续使用一个月,而以现阶段积极发展的自动驾驶汽车来说,如果所有的感测、运算速度都比现在快上千、万倍,行驶霹雳车再也不是梦想。 澳洲团队:用空气间隙传送电子 据美媒称,电子工程师开发出一种能通过细微空气间隙——而不是硅——来传送电子的新型晶体管。这一发展否定了半导体的必要性,提高了该装置的速度,且降低了过热的可能性。 据合众国际社网站日前报道,研究人员利用这项突破为一种纳米芯片开发出概念验证设计,这种芯片的特点是金属与狭小空气间隙相结合,这个工程师团队在《纳米通讯》月刊上详细介绍了他们的发明。 皇家墨尔本理工大学的研究人员什鲁蒂·尼兰塔在一份新闻稿中称:“每台计算机和手机都有数百万至数十亿由硅制成的电子晶体管,但这项技术正在达到其物理极限,导致硅原子阻碍电流、限制速度并产生热量。我们的空气通道晶体管技术让电流在空气中流动,因此不会发生碰撞使其减速,材料中也没有产生热量的阻力。” 报道称,在过去十多年中,随着工程师们设法将越来越多的晶体管挤进硅芯片,计算机芯片的功率和效率大约每两年翻一番。但现在的晶体管比最微小的病毒都小,而且技术专家说,晶体管能小到什么程度是有限的。换句话说,硅基电子产品面临着一个天花板,而工程师们已经在接近这一极限。但基于空气的纳米芯片能够为研究人员提供通往纳米电子新范式的途径。 尼兰塔说:“这项技术在晶体管小型化方面走了另一条路,为的是让摩尔定律在今后几十年里依然有效。” 根据这项新研究,其概念验证设计避免了传统固体通道晶体管的一个问题:原子太多。研究人员没有使用真空包装来降低晶体管密度,而是利用一个狭窄的空气间隙。 研究人员沙拉特·斯里拉姆说:“这个间隙只有几十纳米,是人类毛发宽度的5万分之一,但它足以让电子误以为自己是在真空中行进,为在纳米级空气间隙内的电子重新创造一个虚拟外部空间。” 研究人员认为,他们的装置将很容易与现有电子技术兼容。 斯里拉姆说:“这是朝着一项激动人心的技术迈出的一步,这项技术旨在‘无中生有’、大幅提高电子产品的速度并保持快速技术进步的节奏。” 量子运算和硅光子是救星? 根据“摩尔定律”(Moore's law),电晶体将随着技术的改良而不断缩小,目前台湾与韩国的制程领先全球,已经推进到7纳米。但一般认为当演进至1纳米,已经超过硅材料的物理极限,摩尔定律将碰到天花板,再也走不下去。 针对这样的困境,台湾工研院表示2019年跨入“后摩尔定律时代”(beyond Moore's law),技术上的解方有二:量子运算与硅光子。这两大技术也将是2020~2030年半导体技术演进的重要推手。 有别于一般电脑采用0与1的二进位制,量子电脑则采用“量子位元(qubit)”,其“叠加(superposition)”的特性,可以同时出现0与1,所以能够同时处理大量资讯,特别是多变量的数据,这也符合未来AI的发展趋势。 日本丰田通商(Toyota Tsusho)与电综(DENSO)便运用量子运算,在泰国建立大规模交通资讯平台“TSQUAREアプリ”,利用13万车辆回报的资讯,进行即时交通分析,并回馈给用户最适合的行车建议。利用量子运算,36万笔资讯在20微秒(百万分之一秒)内完成,相较现行设备足足快了1亿倍。 现在的资讯传输主要是靠电,而硅光子( Silicon Photonics )的技术,是将“电讯号”改为“光讯号”来传递数据,以提高传输距离、增加资料频宽与降低单位耗能。 然而硅本身无法发光,所以光源发展来自于外界,雷射光则是主要光源。需藉由封装方式将光源与芯片进行组装,而将雷射直接整合到芯片上,则是未来的目标。 另外,硅光子技术可整合现有半导体CMOS制程,成为业界颇受瞩目的研究方向,但硅光子技术的难度在于,整合半导体技术和光学技术,仍需要扭转部分技术开发的思维与制程。
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    • 编译者:husisi
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    • 作为5G元年,2019年对于半导体行业的特殊性不仅仅在于通信技术的革新,更重要的是,支撑半导体工艺多年来迅猛发展的摩尔定律逐渐走向失效,但爆炸式的数据需要更精进的处理技术作为支撑。行业正面临着双重技术迭代带来的考验。 这一年也是5G底层通信技术玩家持续收缩的一年。老一代巨头英特尔放弃基带芯片业务出售予苹果,另一半导体巨头博通也在近日宣布有意出售旗下RF(无线射频)相关业务。 虽然说“整合”会是所有产业走到一定阶段必然经历的结果,但这次IC产业的融合,到底意味着寒冬还是新生? 紫光展锐CEO楚庆将这类现象定义为“半导体产业生死劫”。在近日接受21世纪经济报道记者专访时他指出,过去几十年的半导体产业处在春天,万物生长;而摩尔定律走向失效,让行业开始进入后摩尔定律时代,来到夏天。 “这时候又会有大量新的芯片公司产生,但这些公司需要采取符合新定律的战略架构。”楚庆如此表示。 5G时代主角换场 进入5G时代,中国走在了世界前列。2019年10月,国家工信部宣布中国正式启动5G商用,给全国范围的网络建设和商用准备开启了加速器。 “5G时代会有一个全面的迁移。”楚庆向记者分析,实际上这也是自然发生的结果。 他曾经做过一个统计,在前两个通信时代,欧洲运营商在前期投入上就耗费了巨资。3G时代,整个欧洲为了购买相关频谱许可,花费超过500亿美元;在此基础上还有资本支出、基站建设支出等,资金量可想而知有多巨大。 在4G时代依然没有多少好转。楚庆表示,当时仅规模最大的一家运营商在欧洲购买频谱许可,就花费了近500亿欧元。 按照这个趋势下去,5G的频谱可能会更贵,但在一些国家,Sub-6GHz以下的频谱更成为了稀缺资源。 从当前经济资源、频谱资源等各角度来看,对中国都是一大机遇。“所以可以认为这是历史客观选择的结果,产业要好好利用这次机会。”楚庆认为,5G作为人类历史上最野心勃勃的连接计划,制造了一个巨大的平台;而AI是人类最野心勃勃的科技革命。在这两面旗帜的引领下做出有价值的东西,是半导体产业链的机遇,也是展锐与楚庆本人的互相要求。 在当前5G手机基带芯片设计厂“五虎”中,有三家背靠中国,分别是紫光展锐、华为海思与联发科,这其实是几十年来产业内生发展和分工精细带来的结果。 楚庆分析道,移动通信大概每十年一代,到现在离GSM(2G通信制式)繁荣的时期正好过去30年,芯片厂商在激烈的市场搏杀中越来越少,主要原因是手机芯片可能是整个芯片领域搏杀最激烈的一个领域。 在第一代通信制式环境下,产业经历了从无到有的过程。在这一阶段,几乎所有厂商都具备全面技术。因为第一代通信时期,没有芯片供应商就无法做出手机,早期的芯片供应商和手机厂商多是合体的。 直到第二代移动通信技术出现,产业分工开始了。在2G时代,手机不再仅仅是通话工具,还开始有播放音乐、收发邮件等功能,原来将手机和芯片业务绑定的第一代厂商遭到了严重打击。“因为他们对用户使用习惯的把握没有单独芯片厂商那么深刻,不再具备竞争力。”楚庆指出。 按照这样持续下去,产业分工越来越精细化,对于手机领域芯片设计厂商的要求也就越来越严苛,要同时兼顾计算能力和功耗,门槛变得很高。 与此同时,在前面四个时代,全球的通信制式极为不统一,是手机基带芯片设计厂商的另一重挑战。 细细算来,从2G到5G共积累了10种通信制式,基带芯片设计厂都必须经过对这些制式的测试并兼容,这已经不是后续有新生代愿望的设计厂能够做到的。 “这意味着要在全球的120张商用网里全部做过测试,这是沉重的历史包袱,因此历史上几乎没有什么新厂商再诞生。”楚庆分析,这造就了如今的格局。 后摩尔定律时代抱团取暖 但在5G时代出现了一些新现象。英特尔的手机基带芯片业务卖给了手机为主业的厂商苹果,博通的出售计划也有传言认为苹果有可能接盘。纵向的产业链整合似乎开始了。 除此之外,三星半导体开启了与国产手机厂vivo对于基带芯片的联合研发,产业链的合作关系未来似乎都开始有变化。 楚庆向21世纪经济报道记者指出,虽然半导体产业如今到处是大鱼吃小鱼的故事,动辄斥资几百亿甚至千亿美元的收购案。这意味着在后摩尔定律时代需要抱团取暖,但这些并购本身并没有产生价值。 “所有的并购都是这种局面,1+1小于2。”据他分析,这与摩尔定律有极大关联。 可以看到,此前领先的厂商多为对摩尔定律遵从度最高者,它们往往在追赶工艺节点上跑得很快。但一旦跑道不再存在,它们的脚步不得已慢了下来。 “这些厂商的优势无法持续,最好的选择变成了抱团取暖。一些历史上伟大的名字消失了。但合并未必能解决核心竞争力的问题。”楚庆续称。 同时他也指出,诞生新的手机芯片厂商这条路基本已断,尤其在modem(调制解调器)领域。“开展modem业务如果不聚集三五千人,没有15年的历史沉淀将没有意义,最简单就是全球运营商的这些通信制式测试怎么过?” 2019年,5G手机基带芯片设计大厂们纷纷宣布推出支持NSA和SA双模的芯片产品,在此之外的泛在物联市场徐徐而来,这将是通信世界的一次更大机遇。楚庆指出,“从过去的4G时代到未来,将不存在任何一家对其他厂商存在绝对竞争力的局面。”