本文來自微信公眾號“全球半導體觀察”，作者/竹子。
3.3D先進封裝、玻璃基板、小芯片Chiplet、3D堆疊SoIC...新一代先進封裝技術(shù)奔涌而來，三星電子、英特爾、臺積電、日月光等企業(yè)加碼投資擴產(chǎn)，誰將站在下一代先進封裝發(fā)展浪頭引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展？
三星電子正開發(fā)“3.3D先進封裝技術(shù)”，目標2026年第二季度量產(chǎn)
近日，據(jù)韓媒報道，三星電子正在開發(fā)面向AI半導體芯片的新型3.3D先進封裝技術(shù)，并計劃于2026年二季度實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)悉，這項封裝技術(shù)整合了三星電子多項先進異構(gòu)集成技術(shù)。
圖片來源：三星
在概念圖中，GPU（AI計算芯片）與LCC緩存通過垂直堆疊的方式形成一個整體，與HBM內(nèi)存進行互聯(lián)。在兩者之間使用硅橋芯片來直接連接裸晶，而在銅RDL重布線層上引入了透明介質(zhì)來代替價格更高的硅中介層。這種設(shè)計能夠在不犧牲芯片性能的前提下降低22%的生產(chǎn)成本。
此外，三星電子還計劃在其3.3D封裝技術(shù)中引入面板級（PLP）封裝。大型方形載板將取代面積有限的圓形晶圓，從而進一步提高封裝生產(chǎn)效率。目前，由臺積電主導的先進封裝代工市場主要由無晶圓廠設(shè)計企業(yè)占據(jù)份額，因此三星電子希望通過推出新一代3.3D封裝技術(shù)，在價格和生產(chǎn)效率上具有顯著優(yōu)勢，以爭取更多無晶圓廠設(shè)計企業(yè)的訂單。
與此同時，近日，三星電子對先進封裝（AVP）團隊和設(shè)備技術(shù)實驗所進行重組，以提升整體技術(shù)競爭力。同時進行改組的還有三星電子負責半導體業(yè)務(wù)的設(shè)備解決方案（DS）部門。據(jù)悉，該部門新設(shè)HBM研發(fā)組。三星電子副社長、高性能DRAM設(shè)計專家孫永洙（音譯）擔任該研發(fā)組組長，帶領(lǐng)團隊集中研發(fā)HBM3、HBM3E和新一代HBM4技術(shù)。
TrendForce集邦咨詢指出，自臺積電于2016年開發(fā)命名為整合扇出型封裝（InFO）的扇出型晶圓級封裝（FOWLP）技術(shù)，并應(yīng)用于iPhone7手機所使用的A10處理器后，專業(yè)封測代工廠(OSAT)業(yè)者競相發(fā)展FOWLP及扇出型面板級封裝（Fan-out Panel Level Package,FOPLP）技術(shù)，以提供單位成本更低的封裝解決方案。
自第二季起，超威半導體（AMD）等芯片業(yè)者積極接洽臺積電及OSAT業(yè)者以FOPLP技術(shù)進行芯片封裝，帶動業(yè)界對FOPLP技術(shù)的關(guān)注。根據(jù)全球市場研究機構(gòu)TrendForce集邦咨詢調(diào)查，在FOPLP封裝技術(shù)導入上，三種主要模式包括「OSAT業(yè)者將消費性IC封裝方式自傳統(tǒng)封裝轉(zhuǎn)換至FOPLP」；「專業(yè)晶圓代工廠（foundry）、OSAT業(yè)者封裝AI GPU，將2.5D封裝模式自晶圓級(wafer level)轉(zhuǎn)換至面板級(panel level)」；「面板業(yè)者封裝消費性IC」等三大方向。
從FOPLP技術(shù)對封測產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響面來看，第一，OSAT業(yè)者可提供低成本的封裝解決方案，提升在既有消費性IC的市占，甚至跨入多芯片封裝、異質(zhì)整合的業(yè)務(wù)；第二，面板業(yè)者跨入半導體封裝業(yè)務(wù)；第三，foundry及OSAT業(yè)者可壓低2.5D封裝模式的成本結(jié)構(gòu)，甚至借此進一步將2.5D封裝服務(wù)自既有的AI GPU市場推廣至消費性IC市場；第四，GPU業(yè)者可擴大AI GPU的封裝尺寸。
TrendForce集邦咨詢認為，F(xiàn)OPLP技術(shù)的優(yōu)勢及劣勢、發(fā)展機會及挑戰(zhàn)并存。主要優(yōu)勢為低單位成本及大封裝尺寸，只是技術(shù)及設(shè)備體系尚待發(fā)展，技術(shù)商業(yè)化的進程存在高度不確定性，預(yù)估目前FOPLP封裝技術(shù)發(fā)展在消費性IC及AI GPU應(yīng)用的量產(chǎn)時間點，可能分別落于2024年下半年至2026年，以及2027-2028年。
玻璃基板量產(chǎn)元年在即，多家大廠加速布局
近日，英特爾、AMD、三星、LGInnotek、SKC美國子公司Absolics等均將目光高度聚焦到應(yīng)用于先進封裝的玻璃基板技術(shù)中。玻璃基板技術(shù)因其優(yōu)異的性能，已成為先進封裝領(lǐng)域冉冉升起的新星。
基板即安裝硅IC芯片的材料，主要起承載保護芯片與連接上層芯片和下層電路板的作用，它們?yōu)樾酒峁┝私Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（硅芯片非常脆弱），也是傳輸信號的手段。自上世紀70年代以來，芯片基板設(shè)計發(fā)生了多次演變，金屬框架在90年代被陶瓷所取代，然后在世紀之交陶瓷又被有機封裝所取代。而當前的處理器廣泛使用主要是有機基板。
英特爾認為，有機基板也將在未來幾年達到其能力的極限，因為公司(行業(yè)其他公司亦是)將生產(chǎn)面向數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)級封裝（SiP），具有數(shù)十個小瓦片（tile），功耗可能高達數(shù)千瓦。此類SiP需要小芯片（chiplet）之間非常密集的互連，同時確保整個封裝在生產(chǎn)過程中或使用過程中不會因熱量而彎曲。
由此，玻璃基板應(yīng)用而生。在去年9月，英特爾在官網(wǎng)公布了號稱是“下一代先進封裝的玻璃基板技術(shù)”，稱或?qū)㈩嵏舱麄€芯片封裝領(lǐng)域。玻璃基板是指用玻璃取代有機封裝中的有機材料，并不意味著用玻璃取代整個基板。因此，英特爾不會將芯片安裝在純玻璃上，而是基板核心的材料將由玻璃制成。
與有機基板相比，玻璃基板玻璃具有獨特的特性，例如超低平整度和更好的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，可將互連密度提高10倍。據(jù)英特爾所言，玻璃基板能使單個封裝中的芯片面積增加五成，從而塞進更多的Chiplet；且玻璃平整度、能將光學鄰近效應(yīng)（OPE）減少50%，提高光刻聚焦深度。
有機基板和玻璃基板的對比（圖源：Intel）
英特爾稱，玻璃基板可能為未來十年內(nèi)在單個封裝上實現(xiàn)驚人的1萬億個晶體管奠定基礎(chǔ)。基于對其的良好預(yù)期，近期行業(yè)內(nèi)傳來最新消息，英特爾計劃最快2026年量產(chǎn)玻璃基板。在玻璃基板技術(shù)上，英特爾已投入了約十年時間，目前其在美國亞利桑那州擁有一條完全集成的玻璃研發(fā)線。該公司表示，這條生產(chǎn)線的成本超過10億美元，為了使其正常運行，需要與設(shè)備和材料合作伙伴合作，建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。且行業(yè)內(nèi)目前僅有少數(shù)公司能夠負擔得起此類投資，而英特爾似乎是迄今為止唯一一家開發(fā)出玻璃基板的公司。
除了英特爾，SKC美國子公司Absolics、AMD、三星等也看到了玻璃基板廣闊的發(fā)展前景。
2022年，SKC美國子公司Absolics在美國佐治亞州科文頓市斥資約3000億韓元（約合2.22億美元）建立了第一家專門生產(chǎn)玻璃基板的工廠。近日，該公司宣布工廠竣工并開始批量生產(chǎn)原型產(chǎn)品。業(yè)界分析，這標志著全球玻璃基板市場進入關(guān)鍵時刻。
三星則已組建由三星電機、三星電子和三星顯示器部門組成的聯(lián)盟，研發(fā)玻璃基板，目標在2026年開始大規(guī)模量產(chǎn)，意圖比英特爾更快地實現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)報道，三星電機計劃在今年9月前在試驗生產(chǎn)線上安裝所有必要的設(shè)備，并于第四季度開始運營。外媒消息顯示，三星電機供應(yīng)商的選擇已經(jīng)完成，Philoptics、Chemtronics、JoongwooM-Tech和德國LPKF等公司負責為該裝置提供零部件。報道稱，該裝置旨在簡化生產(chǎn)并遵守三星嚴格的安全和自動化標準。
AMD則計劃于2025~2026年推出玻璃基板，并與全球元件公司合作，保持領(lǐng)先地位。據(jù)韓媒報道，AMD正對全球多家主要半導體基板企業(yè)的玻璃基板樣品進行性能評估測試，計劃將這一先進基板技術(shù)導入半導體制造。此次參與評估測試的上游企業(yè)包括新光電氣、欣興電子、三星電機和AT&S（奧特斯）。此前，AMD一直同韓國SKC旗下的Absolix進行玻璃基板領(lǐng)域的合作。此次測試多家企業(yè)樣品被視為AMD正式確認引入該技術(shù)并準備建立成熟量產(chǎn)體系的標志。
圖片來源：拍信網(wǎng)
相關(guān)從業(yè)者指出，玻璃雖能克服翹曲、電氣性能也較好，然而缺點包括易碎、難加工等。業(yè)界認為，在實際交付之前實現(xiàn)量產(chǎn)良率還需要一段時間。公司的前期投資成本也很高。即使公司在技術(shù)開發(fā)上投入巨資，如果業(yè)務(wù)無法盈利，它也會成為沉沒成本。
Hl Investment&Securities投資銀行公司的研究員KoEui-young表示：“玻璃基板需要重組供應(yīng)鏈，因為需要更換設(shè)備，并且需要進一步驗證與玻璃材料相關(guān)的可靠性。”“量產(chǎn)的標準化工作是必須要做的，但量產(chǎn)時的良率是不確定的。”但從長遠來看，行業(yè)共識是應(yīng)該發(fā)展玻璃基板。
目前，包括SCHMID等新公司的出現(xiàn)以及激光設(shè)備供應(yīng)商、顯示器制造商、化學品供應(yīng)商等的參與，行業(yè)內(nèi)圍繞玻璃芯基板逐漸生成了一些新興供應(yīng)鏈，形成了多樣化生態(tài)系統(tǒng)。行業(yè)各方正在建立合作和伙伴關(guān)系，以應(yīng)對與玻璃基板制造相關(guān)的技術(shù)和物流挑戰(zhàn)，這表明各方正共同努力，充分發(fā)揮其潛力。
AI人工智能在當代的蓬勃發(fā)展，使得玻璃基板經(jīng)過此前近十年的孕育中破土而出，它遇到了最適合它的時代。在英特爾看來，玻璃基板將首先被引入到能夠最大程度利用其的市場：需要更大外形封裝（即數(shù)據(jù)中心、人工智能、圖形）和更高速度能力的應(yīng)用程序和工作負載。
日月光針對先進封裝擴產(chǎn)，多項先進封裝新技術(shù)值得期待
近日，日月光投控召開股東大會，首席運營官（COO）吳田玉表示，到2025年AI先進封裝需求持續(xù)強勁，今年AI相關(guān)CoWoS先進封裝營收，會比原先預(yù)期增加2.5億美元以上，包括CoWoS等先進封裝測試營收占比可提高，加速營收復蘇。
去年，日月光通過子公司ISELabs，斥資2400萬美元在美國加州圣何塞建設(shè)測試產(chǎn)線，吳田玉預(yù)計7月12日將有該廠投產(chǎn)的剪彩儀式。針對未來布局，目前該公司已敲定在加州弗里蒙特建造第二家芯片測試工廠的計劃，并也將于7月12日正式公布該項目以及投資規(guī)模。該公司還在墨西哥托納拉購買了土地，用于建造芯片封裝和測試工廠。后續(xù)也將依據(jù)需求擴充產(chǎn)能，均不排除在日本、美國、墨西哥擴增先進封裝產(chǎn)能。
先進封裝技術(shù)的日益發(fā)展與完善是日月光投控的重中之重。今年3月下旬，日月光宣布，推出小芯片（Chiplet）新互聯(lián)技術(shù)，以應(yīng)對人工智能發(fā)展帶來的多樣化小芯片整合設(shè)計和先進封裝。該技術(shù)通過微凸塊(microbump)技術(shù)使用新型金屬疊層，可將芯片與晶圓互聯(lián)間距大幅縮小。日月光表示，提升小芯片級互聯(lián)技術(shù)可開拓應(yīng)用領(lǐng)域，除了AI芯片之外，也可擴展至手機應(yīng)用處理器、MCU微控制器等關(guān)鍵芯片。
據(jù)悉，Chiplet是異構(gòu)的一個基本方面。行業(yè)人士表示，小芯片方法代表了一種新興的半導體設(shè)計理念，它將兩個或多個分立芯片組合在分解的SiP設(shè)計中。與可能的單片替代方案相比，小芯片提供了更大的設(shè)計靈活性、更快的上市時間、更高的良率和經(jīng)濟效益。小芯片的功能涵蓋典型處理器SoC中的基本知識產(chǎn)權(quán)(IP)塊，包括中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、神經(jīng)處理單元(NPU)、I/O和內(nèi)存控制器以及接口、高速緩存存儲器和模擬功能（SerDes、PLL、DAC、ADC、PHY等）。
圖片來源：拍信網(wǎng)
目前Chiplet已成為算力芯片的主流方案，AMD、Intel等半導體巨頭共同成立了UCIe產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，Nvdia A100/H100、AMD MI300等主流產(chǎn)品均采用了Chiplet方案，國內(nèi)算力芯片廠商亦在快速跟進。
此外，日月光控股表示，公司將持續(xù)投資新技術(shù)，2023年就一共開發(fā)七大技術(shù)，包括以覆晶封裝進行高頻寬記憶體第三代堆迭技術(shù)、智慧打線瑕疵檢測技術(shù)、扇出型封裝內(nèi)埋橋接芯片與被動元件、3D電壓調(diào)節(jié)模組先進封裝技術(shù)、以內(nèi)埋式深銅堆聲產(chǎn)品開發(fā)面板級封裝，高整合度SiP封裝通訊模組方案以及光學模組封裝技術(shù)開發(fā)等。
臺積電全面擴張CoWoS產(chǎn)能，SoIC先進封裝同受青睞
臺積電方面，本月初中國臺媒消息顯示，臺積電正全面擴張CoWoS產(chǎn)能，已在中國臺灣地區(qū)云林縣虎尾園區(qū)覓得一處先進封裝廠建設(shè)用地。對于此消息，臺積電沒有回應(yīng)。
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)。業(yè)內(nèi)人士分析，臺積電2024年月CoWoS產(chǎn)量將翻倍成長至4萬片，2025年升至5.5萬~6萬片，2026年進一步達到7萬~8萬片。
為了實現(xiàn)產(chǎn)能增長目標，臺積電在CoWoS產(chǎn)線、設(shè)備等方面積極投資。在新CoWoS廠上，臺積電南科嘉義園區(qū)P1晶圓廠已于今年4月動工，但近期因發(fā)掘出疑似遺址停工，臺積電轉(zhuǎn)而啟動同地P2晶圓廠建設(shè)；臺積電此前還有在苗栗縣銅鑼鄉(xiāng)建設(shè)CoWoS工廠的計劃，但遭遇了水土問題。而在設(shè)備方面，臺積電已于去年4月、6月、10月以及今年的2月下達了四波CoWoS工藝設(shè)備訂單，目前仍持續(xù)追單。這也很大程度的拉動著半導體設(shè)備行業(yè)的業(yè)績。
臺積電正在積極提高CoWoS封裝產(chǎn)能的同時，也在積極推動下一代SoIC封裝方案落地投產(chǎn)。近日據(jù)行業(yè)媒體消息，在AMD之后，蘋果公司在SoIC封裝方案上已經(jīng)擴大和臺積電的合作，預(yù)估在2025年使用該技術(shù)。
臺積電目前已經(jīng)整合封裝工藝構(gòu)建3D Fabric系統(tǒng)，其中分為3個部分：3D堆疊技術(shù)的SoIC系列、先進封裝CoWoS系列以及InFo系列。其中，SoIC處于前段封裝，于2018年4月公開，是臺積電基于CoWoS與多晶圓堆疊(WoW)封裝技術(shù)開發(fā)出的新一代創(chuàng)新封裝技術(shù)，這標志著臺積電已具備直接為客戶生產(chǎn)3D IC的能力。該技術(shù)于2022年就已經(jīng)開始小量投產(chǎn)，而且臺積電計劃2026年產(chǎn)能擴大20倍以上。
據(jù)悉，AMD是臺積電SoIC的首發(fā)客戶，旗下的MI300加速卡就使用了SoIC+CoWoS封裝解決方案，可將不同尺寸、功能、節(jié)點的晶粒進行異質(zhì)整合，目前在位于竹南的第五座封測廠AP6生產(chǎn)。此外，蘋果對SoIC封裝也非常感興趣，將采取SoIC搭配Hybridmolding（熱塑碳纖板復合成型技術(shù)），目前正小量試產(chǎn)，預(yù)計2025~2026年量產(chǎn)，計劃應(yīng)用在Mac上。
