堆疊：一種摩爾定律以外的高度集成替代方案

　　摩爾定律的放緩，為滿足行業(yè)大趨勢嚴(yán)格指標(biāo)要求的新發(fā)明開辟了道路。在封裝領(lǐng)域，許多半導(dǎo)體廠商傾向于2.5D和3D堆疊技術(shù)，而硅通孔（TSV）是最早的堆疊技術(shù)之一。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和對MEMS的關(guān)注，它最終進入了許多應(yīng)用領(lǐng)域。如今，2.5D和3D堆疊技術(shù)已成為能夠滿足當(dāng)前人工智能（AI）和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用性能需求的唯一解決方案。堆疊技術(shù)已被應(yīng)用于高、中、低端市場的各種硬件，包括3D堆疊存儲、圖形處理單元（GPU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和CMOS圖像傳感器（CIS）等。

　　各種應(yīng)用中先進堆疊封裝技術(shù)的市場機遇

　　高帶寬存儲（HBM）和CMOS圖像傳感器等硬件占據(jù)了TSV市場的大部分營收。堆疊技術(shù)整體市場規(guī)模將在2023年超過55億美元，在此期間的復(fù)合年增長率（CAGR）可達27%。對于目前來說，消費類市場是最大的細(xì)分市場，其市場份額超過了65%。但矛盾的是，這并不意味著消費類市場就是這些技術(shù)的主要驅(qū)動因素。事實上，高性能計算（HPC）是堆疊技術(shù)的真正驅(qū)動因素，在2019~2023年期間將呈現(xiàn)最快的增長速度，市場份額預(yù)計將從2018年的20%增長到2023年的40%，就封裝營收而言，這相當(dāng)于2018年營收的6倍以上增長。相應(yīng)的，消費類市場份額將減少，而汽車、醫(yī)療和工業(yè)等其他市場將維持目前的市場份額。

　　2018~2023年按市場細(xì)分的堆疊技術(shù)營收

　　從TSV到晶圓級堆疊，封裝技術(shù)正在蓬勃發(fā)展

　　由于堆疊技術(shù)競爭主要集中在“TSV”和“無TSV（TSV-less）”之間進行，因此Yole在本報告中針對這兩類技術(shù)進行了分析。

　　對于目前的高端市場，市場上最流行的2.5D和3D集成技術(shù)為3D堆疊存儲TSV，以及異構(gòu)堆疊TSV中介層。Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWos）技術(shù)已經(jīng)廣泛用于高性能計算應(yīng)用，新的TSV技術(shù)將于2019年上市，即來自英特爾（Intel）的Foveros（基于“有源”TSV中介層和3D SoC技術(shù)，具有混合鍵合和TSV互連（可能）技術(shù)）。Foveros的出現(xiàn)表明，雖然“TSV”受到了來自“無TSV”技術(shù)的挑戰(zhàn)，但廠商仍然對它很有信心。

　　我們不能忽視“無TSV”技術(shù)在市場上的興起。這些創(chuàng)新可以劃分為“帶基板型（with substrate）”和“嵌入基板（embedded in substrate）”兩組。嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，是“嵌入基板”組的一種，其Si橋在基板中較深的位置。其他基板技術(shù)也正在開發(fā)中，但仍未上市，例如集成薄膜高密度有機封裝（I-THOP）和倒裝芯片-嵌入式中介層載具（FC-EIC）等。

　　左邊是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)2.5D封裝的芯片，右邊是英特爾EMIB封裝的芯片

　　圖片來源：《英特爾嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）》

　　“帶基板型”技術(shù)也用于TSV替代，例如基板上集成扇出型封裝（InFO），它廣泛用于蘋果公司（Apple）的處理器。此外，再分配層（RDL）中介層技術(shù)目前正在開發(fā)中，預(yù)計將在2020年上市。最后同樣需要注意的是，基板上扇出型芯片（Fan Out Chip on Substrate, FOCoS）于2016年開發(fā)并商業(yè)化，但似乎訂單并不多。

　　堆疊技術(shù)賦能的CMOS圖像傳感器發(fā)展路線圖

　　混合鍵合技術(shù)可以橋接“TSV”/“無TSV”這兩個主要技術(shù)類別。這項技術(shù)的獨特之處在于它可以同時成為TSV技術(shù)的挑戰(zhàn)者和支持者。自2016年以來，它一直被用于智能手機的CMOS圖像傳感器，并且在不久的將來，它將作為一種互連解決方案整合存儲和2.5D高端市場。

　　2018年“無TSV”堆疊技術(shù)概覽

　　誰在支持并投資堆疊技術(shù)？

　　各類不同的市場參與方都希望在不斷增長的55億美元堆疊市場中占有一席之地，目前主要有四種商業(yè)模式在堆疊業(yè)務(wù)領(lǐng)域參與競爭：代工廠、集成器件制造商（IDM）、外包半導(dǎo)體封測廠商（OSAT）和IP廠商。

　　據(jù)麥姆斯咨詢介紹，臺積電（TSMC）、聯(lián)華電子（UMC）和格芯（GlobalFoundries）等晶圓代工廠，主導(dǎo)了TSV異構(gòu)堆疊技術(shù)，因為它們有能力自己生產(chǎn)中介層。擁有“Foveros”技術(shù)的英特爾，是唯一一個試圖在這個領(lǐng)域參與競爭的IDM。

　　對于3D堆疊存儲，競爭主要在IDM“三巨頭”三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）之間，這些公司將繼續(xù)統(tǒng)治堆疊存儲市場。

　　同時，3D SoC是一種代工技術(shù)，很可能只有一家代工廠會生產(chǎn)它，以確保高良率并控制風(fēng)險。在這方面，臺積電在上市時間的競爭中領(lǐng)先于格芯。

　　對于“無TSV”技術(shù)，競爭主要存在于代工廠、IDM、OSAT和基板制造商之間。三星、英特爾和臺積電等廠商，都參與了“有”和“沒有”TSV技術(shù)的開發(fā)。2016年，OSAT巨頭日月光（ASE）向市場引入了FOCoS技術(shù)，而安靠（Amkor）等其他廠商也已經(jīng)開發(fā)出了合適的技術(shù)，但仍然在等待訂單中。

　　日本新光（Shinko）、欣興電子（Unimicron）以及最近的富士通互連科技（Fujitsu Interconnect）等基板公司，仍然在研發(fā)中。IP廠商Xperi的混合鍵合技術(shù)處于“有TSV”和“無TSV”技術(shù)之間，預(yù)計將對市場產(chǎn)生積極影響。Xperi的另一個優(yōu)勢是其技術(shù)兼容高端和中/低端細(xì)分市場。

　　代工廠、IDM和IP廠商相比OSAT在堆疊技術(shù)方面有優(yōu)勢，因為后者在獲得訂單方面有困難。

　　主要堆疊技術(shù)及廠商概覽

　　本報告涉及的部分公司：Alchip, Aledia, Alibaba, Amazon, AMD, Amkor, AMS, ANPEC, Apple, ASE, ASUS, Atos, Audi, Avago, Baidu, Bosch, Bitmain, BitFury, Broadcom, Canaan, Carsem, Cisco, Cray, DARPA, EBANG, EMmicroelectronic, EPworks, Facebook, Faraday, Fingerprints, Foxconn, Fraunhofer, Fujitsu, Gigabyte, GlobalFoundries, Google, GUC, HalongMining, HLMC, HP, Huatian, Huawei, Ibiden, IBM, Icsens, IMEC, Inari Technology, Infineon, Innosilicon, Intel, InvenSense, JCET STATS ChipPAC, Juniper, Lenovo, Leti, Lfoundry, LGinnotek, mCube, Melexis, Memsic, Mercedes-Benz, Micralyne, Micron, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, NXP, Omnivision, ON Semiconductor, OpenSilicon, Osram, PTI, Samsung, SensL, Shinko, SK Hynix, SMIC, Sony, SPIL, STMicroelectronics, Tencent, TF, Toshiba, TPK, TSMC, UMC, Unimicron, Xfab, Xilinx, Xintek, XMC, Xperi, YMTC...