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制程红利正在消失,国内缩小差距的机会在何处?

2021-09-16

9月15日,中国科学院院士、复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长、教授刘明在第二届中国(上海)自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛上表示,现阶段,单纯依靠尺寸微缩为处理芯片带来的性能提升只有3%左右。在很多情况下,处理芯片性能的提升都是依靠架构并行处理来实现的。


在整个集成电路快速发展的这几十年里,集成电路的尺寸不断微缩,密度不断增加,但是功率密度不变。但是,随着越来越逼近物理极限,制程进步也进入了深水区,往前一步都需要付出巨大的成本。

制程迭代能够走多远?集成电路产业应该选择哪条道路?根据目前的情况来看,如果微缩道路走不下去的话,先进封装其实是一条可以选择的道路。


目前,我们需要认清的是,无论是通过自研还是进口,短期内中国都没有办法获得可以用来做产品的EUV光刻机。在没有先进光刻机来发展先进制程的情况下,用硅制造技术取代传统的封装以改善性能互联指数的提升,这种先进封装或许能够走出另一条路。在同等工艺节点下,如果采用先进封装技术来进行集成芯片的集成,能够实现15%左右的性能提升。


目前这样的先进封装技术多种多样,命名方式也存在不同。从晶元堆叠、晶元级封装,再到晶体管级制造端异构集成,它们的精度可以向毫米和纳米演变,互联密度也在急剧增长。尽管各家有不同的命名,但“异构”是该技术的共同特征之一。尽管封装也在追赶摩尔定律的速度,但因为封装有多样性,封装与摩尔的趋势并非完全一致的。


现在3D-IC系统集成正在成为主流,也就是把很多芯片(Die)通过3D的方式封装在一个大芯片内,这种“组合”的方式是未来的大趋势。从封装的角度出发,通过并排、堆叠等形式将不同芯片组合在一起,并封装在一个系统内也是延续摩尔定律的一种途径。


目前,就连先进制程的领头羊——台积电也在积极推进先进封装。台积电选择使用硅晶圆和封装技术结合起来制造三维的封装方式进行新产品“整合”,形成了自己的Wafer-Level系统集成技术平台,推出了自有的SoIC CoW/WoW、CoWoS等封装形式。


从早期的微处理器,到后来的手机芯片,再到现在的智能手机,都有一个可以支撑起一代技术,并且拥有巨大市场需求量的产品。但是现在,智能物联网时代的序幕已经拉开。在这个时代里,人们很难找到一个可以支撑一代技术发展的单一产品。采用先进硅工艺设计用户会变少,因此根据产品需求选出适配的芯片,再用集成芯片技术整合成产品,就能够满足未来多样性市场的需求。


国内先进封装形势


目前国内龙头封装测试企业的先进封装能力已经初步形成。掌握先进封装技术的公司(包括部分外资企业)大多分布在东南沿海,少数位于中西部地区。一些主流先进封装技术已经大规模量产,例如:


SiP系统级封装:目前集成度和精度等级最高的SiP模组在长电科技已经实现大规模量产,华天科技的TSV+SiP指纹识别封装产品已经成功应用于华为系列手机。


WLP晶圆级封装:长电科技的Fan-Out扇出型晶圆级封装已大规模出货,其全资子公司长电先进已经成为全球最大的集成电路Fan-In WLCSP封装基地之一。总部位于苏州的晶方科技也已经成为全球最大的影像传感器WLP晶圆级封装基地之一。


FC倒装封装:通过跨国并购等方式,国内领先企业获得了国际先进的FC倒装封装技术,比如长电科技的用于智能手机处理器的FC-POP封装技术,通富微电的高脚数FC-BGA封装技术。目前,国内三大封测厂也都完全掌握了16/14nm的FC倒装封装技术。


国内其他掌握先进封装技术的企业也都有各自擅长的先进封装手段,形成了自身的差异性和竞争力。未来可期!