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深圳国际电子展: 3D封装,全产业链缺一不可

来源:杜芹作者: 浏览: 发表时间:2022-09-27 17:00:14

关键字: 深圳国际电子展 3D封装

1971年英特尔发布的第一款CPU 4004内部晶体管数约有2300个,5年后,英特尔的Ponte Vecchio处理器将47个小芯片超过1000亿个晶体管封装到一个处理器中,过程中同时使用2.5D和3D技术。
 
2022年1月5日,AMD发布首款3D堆叠的桌面处理器Ryzen 7 5800X3D,益于3D芯片堆叠,相比Zen2,Zen 3的平均性能提高了19%。
 
2022年3月4日,AI芯片公司Graphcore的Bow IPU芯片采用3D堆叠技术将AI速度提高40%。
 
2022年3月9日,苹果发布了计算机最高端处理器芯片M1 Ultra,将横向排列的2枚芯片相互连接,配备了1140亿个晶体管。
 
种种示例表明,2.5D/3D封装技术正成为芯片性能提升的一大重要手段。通过以最低成本实现最高水平的硅集成和面积效率,3D堆叠技术的重要性正在提高。全新的应用也不断涌现,3D堆叠技术已成为满足人工智能、机器学习和数据中心等应用程序所需性能的有利可图的解决方案。
 
3D封装成大势所趋,技术挑战不容小觑
 
随着芯片微缩愈加困难,而市场对芯片高性能的追逐不减,业界开始探索在封装领域寻求突破,所以这几年,诸如2.5D/3D的先进IC封装技术已经成为代工厂、封测厂、IDM、芯片设计厂商以及EDA厂商都竞相关注的一环。
 
但由于成本的原因,高级封装主要用于高端、面向利基市场的应用,如HPC等。3D封装技术在HPC等主要的产业推动下迎来快速发展。据Yole 2022Q1发布的先进封装市场分析报告,先进封装市场的整体收入预计将以10.11%的年复合增长率增长,从2021年的321亿美元增长到2027年的572亿美元。而封装的各个细分类别中,尤以2.5D/3D封装市场的年复合增长率最大,从2021年的67亿美元增加到2027年的147亿美元,高达14.34%。
 
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先进封装市场营收及预测情况(图源:Yole)
 
不仅仅是芯片制造过程的最后一步,封装正在成为芯片创新的催化剂。3D封装技术允许将不同的芯片如CPU、加速器、内存、IO、电源管理等像乐高积木一样拼凑起来,其主要优势是能实现更好的互连能效,减少访问延迟。例如3D封装技术允许在计算核心附近放置更多的内存,因此可以减少总的布线长度,提高内存访问带宽,改善延迟,提升CPU性能,也因此大大提高了产品级性能、功耗和面积,同时实现对系统架构的全面、重新思考。
 
如今,3D封装已成为行业顶尖的芯片企业如英特尔、AMD、NVIDIA、苹果等致胜的关键技术之一。虽然以3D IC为代表的异构封装已经成为未来的重点发展方向,但落实新技术要面对不少棘手的问题。相比传统的封装技术,2.5D/3D IC异构封装不仅仅是封装厂技术的革新,更为原有的设计流程、设计工具、仿真工具等带来挑战。
 
首先,在进行2.5D/3D堆叠之后由于集成度的大幅度提升,发热量变得更为集中,散热是一大问题;其次,在芯片、中介层、基板膨胀、冷缩的过程中,需要保障机械应力的可靠性;再者, 芯片之间的高频信号,需要满足时序、信号完整性要求等问题;最后,芯片堆叠完成后,还需要测试上层芯片是否能正常工作,接线是否良好,堆叠过程中没有被损坏等等。这些都是3D封装需要面对的难题和挑战。
 
3D封装是全产业链共同配合的大业
 
因此,在这样的背景下,3D封装就需要供应链多个环节的支持,包括代工厂、封装厂、EDA厂商、材料厂商等等。
 
在3D封装方面,台积电、三星和英特尔这样的晶圆代工厂是中流砥柱。台积电的“3D Fabric”、英特尔的“Foveros”以及三星的“X-cube”是三大代表的3D封装技术品牌。根据市场研究公司 Yole Development 的数据,在2022年先进封装的投资排名中,英特尔和台积电分别占2022年全球先进封装投资的32%和27%,三星电子排名第四(第三是日月光)。
 
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2.5D和3D封装解决方案细分领域一览(图源:Yole)
 
熟悉台积电的都知道,台积电将其SoIC(系统整合芯片)、InFO(整合型扇出封装技术)、CoWoS(基板上晶圆上芯片封装) 等2.5D和3D先进封装与芯片堆栈技术整合成为了“3D Fabric”品牌。据台积电2022Q2财报说明会,目前台积电为HPC应用开发的3DIC、SoIC技术已经大部分开始被客户采用,台积电还在日本成立了3DIC中心,并于今年6月份举行了开幕仪式。
 
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图源:SemiWiKi
 
英特尔已将Foveros 3D封装技术用于其Ponte Vecchio和Rialto Bridge GPU 以及 Agilex FPGA中,英特尔表示,采用 3D Foveros 封装生产的芯片与标准单片(单芯片)芯片设计相比,在某些情况下具有极强的价格竞争力。英特尔于2021年5月宣布将斥资35亿美元用于新墨西哥Foveros晶圆厂。
 
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图源:英特尔
 
三星在3D封装方面的核心竞争力来自于TSV和 PoP技术。2022年6月,三星成立半导体封装工作组,显示了三星对包括3D封装在内的先进封装的看重。
 
除了代工厂,传统的封装厂商也在积极向3D封装技术过渡。封测龙头日月光是较具实力的一员。2022年6月封测龙头日月光推出VIPack 3D先进封装平台,它是由六大核心封装技术组成,包括日月光基于高密度RDL 的Fan Out Package-on-Package (FOPoP)、Fan Out Chip-on-Substrate (FOCoS)、Fan Out Chip-on-Substrate-Bridge (FOCoS-Bridge) 和Fan Out System-in-Package (FOSiP),以及基于硅通孔(TSV) 的2.5D/3D IC 和Co-Packaged Optics。其他封测厂如安靠、长电科技、通富微电等也在3D封装领域蓄力。
 
此外,要制造3D芯片,需要在制造设备和原材料领域出现新的技术创新。关键的重要材料之一是用于多枚芯片连接的ABF载板。ABF载板是IC载板中的一种,ABF载板可做线路较细、适合高脚数高讯息传输的IC,具有较高的运算性能,主要用于CPU、GPU、FPGA、ASIC等高运算性能芯片。近几年如Chiplet等技术的发展进步,对ABF载板的需求加大,另外也存在如何提高连接速度、改善散热性和成本削减等课题。目前包括欣兴、景硕、南电、Ibiden、Shinko、AT&S等主要ABF载板供应商都进行了一定的扩产。
 

 
IC载板是一种介于IC半导体及PCB之间的产品,作为芯片与电路板之间连接的桥梁,可以保护电路完整,同时建立有效的散热途径。
图源:stockfeel
 
但是3D IC封装所面临的难题,有时候单靠制造端是解决不了的,需要在芯片设计的一开始就提前规划。3D IC封装将不仅仅是“封装”一个环节的事情,其更多体现在芯片和封装的协同配合。
 
3D IC封装最根本的挑战来自于应用工具数据库的转变。芯片通用的GDS格式与PCB使用的Gerber格式有着根本上的差别,需要重新整合解决方案,以满足先进封装要求。此外,规模增长带来的复杂性也是需要重点关注的问题。在做多晶粒(multi-die)时,面对日益庞大的系统,需要考虑能否承担并验证。还有一个值得注意的就是设计规划,将多个芯片怎样连接起来,用哪些工具去规划,哪个文档是正式“黄金参考”版本,都是需要事先确立的。只有确立了规划,才能够进行后续的设计、验证。此时就凸显出EDA工具的重要性。
 
而这些正是西门子EDA这样的EDA厂商的价值所在,西门子EDA有一套成熟的端到端的EDA解决方案,结合其Xpedition, HyperLynx和Calibre技术,实现了快速有效的设计至GDS 签核。例如,在芯片仿真验证阶段,结合西门子HyperLynx和Calibre系列工具,可以处理die、package和PCB仿真的协同问题,而不再是专注于单一设计领域;在芯片封装设计布局阶段,西门子Xpedition Package Designer提供高效能的先进封装技术支持,以及智能布局功能,能提升封装设计布局效率并缩短布局时间;在测试阶段西门子EDA Tessent 工具平台基于工业分析,为3D IC提供集成并且流畅的EDA解决方案,通过灵活而完备的测试组合,实现提高测试覆盖率、降低测试成本、追踪良率问题的目标。
 
与此同时,EDA厂商与代工厂和封装厂的协同合作也愈发重要。在这方面,西门子EDA已与台积电、三星以及日月光等积极展开合作,为他们提供生态上的支持。
 
其中,早在2020年,西门子EDA就获得台积电“联合开发3DIC设计生产力解决方案”年度OIP合作伙伴奖,2021年双方在云上 IC 设计以及台积电 3D 硅堆叠和先进封装技术系列——3DFabric™方面达到了关键里程碑。再者,西门子EDA的高密度先进封装解决方案已通过三星Foundry最新封装工艺认证。西门子EDA还利用其Xpedition™ Substrate Integrator 软件和 Calibre® 3DSTACK 平台与日月光推出新一代高密度先进封装设计的支持技术,据日月光集团副总裁洪志斌博士表示:“双方的合作使客户可以减少2.5D/3D IC和FOCoS的封装规划和验证周期,在每一次设计周期中,大约可以减少30%到50%的设计开发时间。”
 
结语
 
随着整个产业链逐渐日趋完善,并且不断推出各领域新的支持的技术,如2.5D和3D封装技术将成为接下来芯片性能提升过程的中流砥柱,也将是半导体产业的未来。3D封装正在改变半导体世界,这一次将引起全产业链的变革。
 
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深圳电子元器件及物料采购展览会是深圳国际电子展中专注于全面展示电子产品设计生产所需的各类电子元器件及物料产品的商业展览,是为来自各类电子产品生产加工企业的专业采购人员所打造的元器件及物料采购平台的深圳国际电子展。

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深圳电子元器件及物料采购展览会将于2022年11月30日-12月02日在深圳国际会展中心(宝安新馆)隆重开幕,期待您的参与


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时间
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