文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
在半導(dǎo)體行業(yè)步入 " 后摩爾時代 " 的當(dāng)下，芯片制程工藝的物理極限倒逼技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)向封裝領(lǐng)域。先進封裝技術(shù)憑借其突破傳統(tǒng)封裝的高密度集成、高性能優(yōu)化及成本優(yōu)勢，成為推動 AI、HPC、5G 等前沿領(lǐng)域發(fā)展的核心引擎。特別是隨著國產(chǎn) AI 芯片在大模型訓(xùn)練推理與終端應(yīng)用中的加速滲透，對 CoWoS 等先進封裝技術(shù)的需求呈井噴式增長。
但先進封裝技術(shù)并非傳統(tǒng)封裝的簡單延續(xù)，而是在封裝密度、性能、功能等方面實現(xiàn)了顯著的提升。相比于傳統(tǒng)封裝，先進封裝對設(shè)備的要求越來越高。
什么是先進封裝技術(shù)？
半導(dǎo)體封裝作為半導(dǎo)體制造工藝的后道工序，有著極為關(guān)鍵的作用，它為芯片和印制線路板之間提供電互聯(lián)、機械支撐、機械和環(huán)境保護以及導(dǎo)熱通道。從廣義上來說，封裝工藝可分為 0 級到 3 級封裝等四個不同等級，一般主要涉及晶圓切割和芯片級封裝。0 級封裝為晶圓（Wafer）切割，1 級封裝為芯片（Die）級封裝，2 級封裝負責(zé)將芯片安裝到模塊或電路卡上，3 級封裝將附帶芯片和模塊的電路卡安裝到系統(tǒng)板上。
封裝技術(shù)最早是以雙列直插封裝 DIP 為主的直插型封裝。到了 20 世紀(jì) 80 年代，順應(yīng)電子設(shè)備系統(tǒng)小型化和集成電路薄型化的要求，封裝技術(shù)迎來第一次重大變革，從通孔插裝進入到表面貼裝時代，衍生出了 SOP（Small Out-line Pacakage，小外形封裝）、LCC（Leadless Chip Carrier，無引腳芯片載體）以及 QFP（Quad Flat Package，扁平方形封裝）等。20 世紀(jì) 90 年代前中期，封裝技術(shù)發(fā)生第二次重大變革，以 BGA（Ball Grid Array Package，球柵陣列封裝）為代表的先進封裝技術(shù)開始涌現(xiàn)，封裝朝著高引腳數(shù)量、高集成的方向邁進。20 世紀(jì) 90 年代中期至 2000 年后，隨著封裝尺寸進一步縮小以及工作頻率增加，CSP（Chip-Scale Package，芯片級封裝）、WLP（Wafer-Level Package，晶圓級封裝）、SIP（System In a Package，系統(tǒng)級封裝）、2.5D/3D 封裝等開始出現(xiàn)，由此半導(dǎo)體封裝正式進入先進封裝時代。
傳統(tǒng)封裝主要是用引線框架承載芯片的封裝形式，而先進封裝引腳以面陣列引出，承載芯片大都采用高性能多層基板。隨著先進制程工藝逐漸逼近物理極限，越來越多廠商的研發(fā)方向由 " 如何把芯片變得更小 " 轉(zhuǎn)變?yōu)?" 如何把芯片封得更小 "，先進封裝技術(shù)得到快速發(fā)展。先進封裝采用先進設(shè)計思路和集成工藝，對芯片進行封裝級重構(gòu)，可有效提升系統(tǒng)高功能密度。它能在不單純依靠芯片制程工藝突破的情況下，通過晶圓級封裝和系統(tǒng)級封裝等方式，提高產(chǎn)品集成度和功能多樣化，滿足終端應(yīng)用對芯片輕薄、低功耗、高性能的需求，同時大幅降低芯片成本。
隨著芯片封裝技術(shù)從 2D 向 3D 的轉(zhuǎn)型，涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新封裝技術(shù)。在此背景下，CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）技術(shù)作為新興的先進封裝方式，備受業(yè)界關(guān)注。它通過將芯片與晶圓直接結(jié)合，顯著提升了集成度和性能，為 OSAT 企業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。
國產(chǎn) AI 芯片拉動先進封裝需求
先進封裝相較于傳統(tǒng)封裝技術(shù)能更好地提升芯片性能和生產(chǎn)效率，其應(yīng)用場景不斷擴展。目前各種不同類型先進封裝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人工智能（AI）、高性能運算（HPC）、5G、AR/VR 等領(lǐng)域，占整體封測市場的比重也在不斷提升。
雖然芯片下游應(yīng)用廣泛，但先進封裝由于其技術(shù)先進性與高昂的成本，目前主要優(yōu)先應(yīng)用于對性能要求高或?qū)r格不敏感的高端領(lǐng)域，比如 AI 芯片。受大模型訓(xùn)練和推理的影響，對于 HBM（高帶寬存儲）等應(yīng)用先進封裝的存儲需求快速攀升。高端手機以及正在陸續(xù)面世的 AI 手機、AIPC 等 AI 終端對于使用先進封裝的高階芯片的需求量亦持續(xù)水漲船高。自動駕駛未來將向 L4、L5 等高階方向發(fā)展，對于算力的需求也將會持續(xù)提升，有望為先進封裝提供新的推動力。
在 AI 芯片領(lǐng)域，先進封裝技術(shù)的應(yīng)用極為關(guān)鍵。隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，AI 芯片對于計算速度和算力的要求同步提升，這就使得高速信號傳輸、優(yōu)化散熱性能、實現(xiàn)更小型化封裝、降低成本、提高可靠性以及實現(xiàn)芯片堆疊等成為封裝領(lǐng)域新的追求，而先進封裝技術(shù)恰好能夠滿足這些需求。例如，HBM 通過使用先進封裝技術(shù)（如 TSV 硅通孔技術(shù)）垂直堆疊多個 DRAM，將原本在 PCB 板上的 DDR 內(nèi)存顆粒和 GPU 芯片同時集成到 SiP 封裝中，使內(nèi)存更加靠近 GPU，既可以節(jié)約芯片面積、降低功耗，還可以突破 I/O 管腳的數(shù)量限制進而突破內(nèi)存帶寬的限制，是新一代內(nèi)存解決方案。
不過此前國內(nèi)主要采用英偉達的芯片，而隨著年初國產(chǎn)開源大模型的火熱，帶動大模型一體機爆火，國產(chǎn) AI 芯片需求迎來一波爆發(fā)。隨著國產(chǎn) AI 芯片的不斷更新，對于先進封裝的需求也越來越高。
不僅市場需求和空間在不斷上揚，先進封裝本身的經(jīng)濟效益也節(jié)節(jié)攀升。以英偉達的 H100 芯片為例，據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，這顆超高算力的 GPU 芯片總價約為 3000 美元，其中晶圓制造成本只占 200 美元，而先進封裝的成本則達到 723 美元，大約是晶圓制造的 3.6 倍。
隨著先進制程的提升越來越困難，先進封裝已成為角逐半導(dǎo)體和 AI 產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，先進封裝市場空間將會呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。
國產(chǎn)設(shè)備突飛猛進
傳統(tǒng)的封裝所采用的設(shè)備難度相對較低，目前在已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。然而，先進封裝由于其工藝難度較大，國產(chǎn)化的進程一直較為緩慢。并且在過去，由于市場對先進封裝的需求較為低迷，使得先進封裝設(shè)備的國產(chǎn)化發(fā)展一直難以取得明顯的進展。
但如今情況發(fā)生了改變，隨著國產(chǎn) AI 芯片越來越多地采用 CoWoS 等先進封裝技術(shù)，這極大地推動了鍵合設(shè)備、電鍍設(shè)備、光刻設(shè)備等先進封裝設(shè)備的需求增長。同時由于國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商近年來在前道制程進展迅速，而前道工藝和先進封裝采用的技術(shù)類似，也為先進封裝設(shè)備的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在封測環(huán)節(jié)具備較強的全球競爭力，也為設(shè)備國產(chǎn)化提供了有力的支撐。國內(nèi)頭部封測企業(yè)積極進行技術(shù)升級，加速導(dǎo)入國產(chǎn)設(shè)備，從而進一步降低了對進口設(shè)備的依賴程度。
目前已經(jīng)取得了一些關(guān)鍵進展：
華卓精科針對 HBM 芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，獨立研發(fā)了一系列高端設(shè)備，包括混合鍵合設(shè)備（UP-UMA HB300）、熔融鍵合設(shè)備（UP-UMA FB300）、芯粒鍵合設(shè)備（UP-D2W-HB）、激光剝離設(shè)備（UP-LLR-300）和激光退火設(shè)備（UP-DLA-300），打破了國產(chǎn) HBM 芯片的發(fā)展瓶頸，為我國存儲產(chǎn)業(yè)的自主化發(fā)展提供了強大的動力。
普萊信智能作為國內(nèi)唯一具備 CoWoS 級 TCB 設(shè)備自主研發(fā)和生產(chǎn)能力的企業(yè)，其技術(shù)突破徹底改寫了國產(chǎn)設(shè)備 " 跟隨者 " 的角色：其與客戶聯(lián)合開發(fā)的 Loong 系列 TCB 設(shè)備，采用自研 " 超精密高溫納米運動平臺 " 和 " 多光譜視覺定位系統(tǒng) "，實現(xiàn)在 450 度高溫，升溫速率 150 度，降溫速率 50 度，± 1 μ m 的芯片貼裝精度，支持 130 × 130mm 超大芯片鍵合，較國際同行同級別設(shè)備效率提升 25%；Loong 系列兼容晶圓級（12 英寸）、板級（620 × 620mm）封裝，支持 HBM 堆疊等全流程工藝；本次工藝測試的完成，標(biāo)志著國產(chǎn) TCB 設(shè)備正式邁入一個全新的階段。
北方華創(chuàng)的首款 12 英寸電鍍設(shè)備（ECP）—— Ausip T830，專為硅通孔（TSV）銅填充設(shè)計，主要應(yīng)用于 2.5D/3D 先進封裝領(lǐng)域。電鍍作為物理氣相沉積（PVD）的后道工藝，其設(shè)備與 PVD 設(shè)備協(xié)同工作，廣泛應(yīng)用于邏輯、存儲、功率器件、先進封裝等芯片制造工藝。在工藝流程中，PVD 設(shè)備首先在槽 / 孔內(nèi)形成籽晶層，隨后電鍍設(shè)備將槽 / 孔填充至無空隙。
盛美上海認為，CoWoS、Fan-Out 等先進封裝技術(shù)將迎來快速增長期。因此，該公司對電鍍設(shè)備在先進封裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景持樂觀態(tài)度。產(chǎn)品方面，盛美上海面板級水平電鍍設(shè)備取代了垂直式電鍍設(shè)備，針對半導(dǎo)體制造過程中面板級封裝環(huán)節(jié)提出了創(chuàng)新性的解決方案，確保面板具有良好的均勻性和精度，避免了電鍍液之間的交叉污染，提升芯片質(zhì)量和電鍍效率的同時降低了成本。
在先進封裝領(lǐng)域，混合鍵合設(shè)備的主要作用是將芯片或晶圓以極細的間距直接連接在一起，實現(xiàn)高性能、低功耗的芯片集成。根據(jù)晶圓的目標(biāo)種類可分為芯片對晶圓（C2W）還是晶圓對晶圓（W2W）兩種技術(shù)路線。青禾晶元最近也發(fā)布了全球首臺獨立研發(fā) C2W&W2W 雙模混合鍵合設(shè)備：SAB 82CWW 系列，可應(yīng)用于存儲器、Micro-LED 顯示、CMOS 圖像傳感器、光電集成等多個領(lǐng)域。
華封科技去年也發(fā)布了 A 系列新機—— AvantGo A2（仙女座），這是一臺擁有 1.5um 超高精度的晶圓級貼片設(shè)備，同時具備業(yè)界領(lǐng)先的超快產(chǎn)出速度（UPH 高達 3.5K）。
有業(yè)內(nèi)人士表示，先進封裝目前已經(jīng)是整個半導(dǎo)體領(lǐng)域創(chuàng)新最多、投資最集中的細分領(lǐng)域。無論是晶圓代工廠、EDA 公司、IC 設(shè)計公司還是封裝廠和設(shè)備廠，都在積極地投資和擁抱先進封裝。這些創(chuàng)新對封裝設(shè)備商提出了越來越多的靈活性需求，而封裝設(shè)備公司就是通過技術(shù)創(chuàng)新來滿足這些需求，從而推動整個半導(dǎo)體領(lǐng)域繼續(xù)向前發(fā)展。
隨著中國 CoWoS 產(chǎn)能的爆發(fā)，國產(chǎn)設(shè)備有望占據(jù)一席之地。
