美國押注3D封裝，為芯片未來做準(zhǔn)備

來源：內(nèi)容來自半導(dǎo)體新芯聞（ID:MooreNEWS）綜合。

近年來，從媒體的報道中我們得知，3D封裝在未來必然在未來扮演重要的角色。作為世界領(lǐng)先的集成電路國，美國在這方面也擁有同樣的觀點。
據(jù)報道，美國商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 先進制造辦公室已選擇半導(dǎo)體研究公司 (SRC) 通過廣泛的社區(qū)參與來定義微電子行業(yè)的未來技術(shù)目標(biāo)并確定如何實現(xiàn)這些目標(biāo)。他們同時指出，佐治亞理工學(xué)院與 SRC 合作，將在該路線圖工作的治理中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并作為主要貢獻者。
3D 系統(tǒng)封裝研究中心執(zhí)行董事 Madhavan Swaminathan 表示：“我們的工作對于重新獲得美國在先進封裝制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位至關(guān)重要，因為我們利用我們在 3D 微系統(tǒng)方面的專業(yè)知識，將未來的異構(gòu)信息、通信和其他不同的設(shè)備集成到一個單一系統(tǒng)中，為可信微電子提供途徑?！?/span>
而據(jù)研究中心的報道顯示，喬治亞理工學(xué)院 3D Systems 封裝研究中心 (PRC) 是一個源自于NSF 工程研究中心，是一家專注于先進封裝和系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)封裝系統(tǒng) (SoP) 技術(shù)。該中心在包裝的各個方面進行研究和教育，包括設(shè)計、材料、工藝、組裝、熱管理和應(yīng)用驅(qū)動的集成，其中包括高性能計算、人工智能、汽車、寬帶無線和空間等廣泛領(lǐng)域。中心團隊由來自五所學(xué)校的29名教職員工、11名研究/管理人員、50多名研究生/本科生和數(shù)名客座工程師組成。這是一個由48 家行業(yè)/政府機構(gòu)以及14 所大學(xué)共同推動的項目。

封裝中心的愿景

中心認為，世界正在朝著由人工智能 (AI) 支持的系統(tǒng)發(fā)展，因此我們認為這是系統(tǒng)集成的主要驅(qū)動力。圖 1 顯示了未來 15 年基于神經(jīng)形態(tài)傳感和計算的汽車、工業(yè)和移動領(lǐng)域的預(yù)期市場規(guī)模，這代表了一個相當(dāng)大的機會。如果一個人專注于傳統(tǒng)計算，那么 CMOS、CPU 和 GPU 設(shè)備和架構(gòu)的使用會受到摩爾定律、內(nèi)存墻和熱墻的限制，如圖 1 所示，因此需要具有更好內(nèi)存訪問的神經(jīng)形態(tài)傳感和計算。這是佐治亞理工封裝中心的技術(shù)愿景。

中心同時指出，使用硬件中的神經(jīng)進化從環(huán)境中持續(xù)學(xué)習(xí)的示例表明，我們需要在沒有 (i) 預(yù)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DNN) (ii) 標(biāo)記數(shù)據(jù)集和 (iii) 與 由于延遲導(dǎo)致的后端云服務(wù)器，如圖 2 所示。對于此類新興應(yīng)用程序，要求使用進化算法不斷進化 DNN 拓撲以響應(yīng)獎勵，該進化算法需要比 CPU 和 GPU 高 2 到 5 個數(shù)量級能效的芯片。對于此類架構(gòu)，具有低能量每比特 (EPB) 和高帶寬密度的數(shù)據(jù)移動變得至關(guān)重要。數(shù)據(jù)移動可以分為兩個主要部分，即：i) 長距離，在需要無線技術(shù)的情況下，從環(huán)境中進行交互和數(shù)據(jù)收集變得至關(guān)重要；ii) 支持節(jié)能計算的短距離，如圖 2 所示。

圖 3 顯示了在單個平臺上結(jié)合無線和計算功能的系統(tǒng)架構(gòu)，它由在集成基板上互連在一起的多個小芯片組成。這些小芯片來自多個領(lǐng)域，包括邏輯、高帶寬存儲器 (HBM)、射頻 (RF)、光子學(xué) (PIC) 和傳感/驅(qū)動。這些小芯片緊密集成，支持結(jié)合了 CPU、GPU 和 ACC（加速器）的高性能計算 (HPC)，集成了電力輸送和管理，并通過寬帶 5G 和超過 5G (6G) 的無線連接與環(huán)境交互。
這種融合的封裝系統(tǒng) (SoP) 模塊將通過短距離、大規(guī)模并行 (Cu) 互連使用 2.5D 和 3D 連接互連芯片，用于使用超越 CMOS 器件的數(shù)字通信、用于射頻的嵌入式 III-V 裸片（腔內(nèi)裸片）放大器、使用硅光子學(xué) (PIC) 的 SerDes 模塊中的光子互連、具有連接到嵌入式無源器件的 GaN 功率 FET 的開關(guān)穩(wěn)壓器、天線陣列 (FEM) 和全方位的熱管理解決方案等等。
這種未來的異構(gòu) SoP 模塊與 IEEE 異構(gòu)集成路線圖 一致，該路線圖為電子行業(yè)提供了愿景，并確定了與封裝技術(shù)相關(guān)的未來挑戰(zhàn)和潛在解決方案。我們相信，與片上系統(tǒng) (SoC) 或使用當(dāng)今實踐的多級封裝相比，SoP 方法將帶來增強的功能和改進的操作特性。

多年來，系統(tǒng)集成是由片上系統(tǒng) (SoC) 技術(shù)推動的，從而導(dǎo)致具有可擴展設(shè)備的更大 SoC。隨著向異構(gòu)集成的發(fā)展，我們看到對集成的需求遠遠超出多芯片模塊 (MCM)、系統(tǒng)級封裝 (SIP) 和 3D 堆棧，并提供此類技術(shù)無法實現(xiàn)的屬性。
因此，我們的愿景是開發(fā)下一代 SoP 技術(shù)，將封裝和電路板融合在一起，包含涵蓋多個信號域的嵌入式功能，提供與 SoC 的無縫接口，可以在兩側(cè)組裝或嵌入到封裝中，并且高度可靠 ，如圖 4 所示。我們將這種異構(gòu)集成的系統(tǒng)模塊視為延續(xù)摩爾定律的一種手段。

Yole：3D堆疊IC的前景可期

產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)Yole Développement(Yole)的最新研究指出，在AI、資料中心和HPC發(fā)展的推動下，F(xiàn)CBGA封裝的營收預(yù)期將從2020年的100億美元成長至2025年的120億美元。FCBGA封裝未來五年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模年平均復(fù)合成長率(CAGR)達3%。截至2025年，F(xiàn)CBGA營收預(yù)期將超過100億美元。晶圓需求主要來自3D堆疊元件，與2020年相較，晶圓總體成長為CAGA 8.5%。
其中包含F(xiàn)CBGA、扇出型、WLCSP和3D堆疊封裝，3D堆疊IC的目標(biāo)是在未來五年中以24.8％的CAGR成長，其中HBM占48%、3D占27%，而3D NAND占82%。臺積電仍保持領(lǐng)先地位，其2019年占扇出型封裝市場69%市占率。WLCSP封裝在智慧手機相關(guān)應(yīng)用中已經(jīng)成為不可或缺的一環(huán)。另外，日月光半導(dǎo)體、江蘇長電科技、安靠科技和矽品是WLCSP晶圓市場的領(lǐng)導(dǎo)廠商。

中介層、EMIB、Foveros、die對die的堆疊、ODI、AIB和TSV。所有這些單詞和首字母縮寫詞都具有一個重要的功能，它們都涉及硅的兩個位之間如何物理連接。簡單來說，可以通過印刷電路板連接兩個芯片。這種方案很便宜，但沒有太大的帶寬。在這個簡單的實現(xiàn)之上，還有多種方法可以將多個小芯片連接在一起，而臺積電擁有許多這樣的技術(shù)。為了統(tǒng)一其2.5D和3D封裝變體的所有不同名稱，TSMC在早前的技術(shù)大會上推出了其新的首要品牌：3DFabric。
3DFabric作為一個品牌具有一定的意義，可以將臺積電提供的數(shù)十種封裝技術(shù)結(jié)合在一起。從廣義上講，3DFabric分為兩個部分：一方面是所有“前端”芯片堆疊技術(shù)，例如晶圓上芯片，而另一方面是“后端”封裝技術(shù)，例如InFO（Integrated Fan-Out)）和CoWoS（Chip-On-Wafer-On-Substrate）。
附：喬治亞理工對3D封裝的講解