先進封裝在新型系統級芯片的開發(fā)中正在扮演著越來越重要的角色，并日益成為一種更加可行的解決方案。但是，對于芯片制造商來說，它提供的一系列選擇有時令人困惑，有時價格太高。

　　汽車、服務器、智能手機和一些其它高端系統已經采用了某種形式的先進封裝，而對于其它應用來說，簡單的封裝技術就足夠了。盡管如此，先進封裝正迅速成為吸引許多人的選擇。業(yè)界正在開發(fā)新形式的先進級封裝技術或者對現有技術進行升級，以用于 5G 和 AI 等一系列新興應用。

　　幾十年來，以一個基本形式的封裝把裸片組裝起來是可行的，但是，隨著芯片工藝尺寸的縮減走到了盡頭，封裝技術打開了另一個視角，它提供了一套全新的架構選擇，既可以提高性能，又能降低功耗并為設計增加靈活性，從而既可以針對特定市場進行定制，又可以縮短上市時間。

　　但是，沒有任何一種封裝類型可以滿足所有需求。每個應用對封裝的要求都是不同的。在某些情況下，先進包裝甚至可能不是正確的解決方案。

　　Semiconductor Engineering 研究了先進封裝技術在四個主要市場中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)：服務器、網絡設備、智能眼鏡和軍事 / 航空航天。盡管這里給出的只是先進封裝技術可能應用領域的若干示例，但是，這里的分析依然突顯了芯片制造商未來將在封裝方面面臨的一些主要問題和挑戰(zhàn)。

　　根據 YoleDéveloppement 的數據，2019 年整個 IC 封裝市場的價值為 680 億美元。其中，先進封裝的規(guī)模為 290 億美元，預計它將以增長 6.6％的速度增長，到 2025 年達到 420 億美元。

　　服務器領域

　　通常情況下，設備制造商依靠芯片工藝尺寸的縮減實現設計的升級，其目標是在每一代新工藝節(jié)點的單片芯片上封裝更多功能，新節(jié)點大約每 18 到 24 個月推出一次。但是現在，工藝尺寸的縮減變得越來越困難和昂貴，并且價格 / 性能優(yōu)勢正在減少。因此，盡管工藝尺寸依然將繼續(xù)縮減，但是，并非系統中的所有組件都按同樣的比例進行縮減。

　　聯華電子業(yè)務發(fā)展副總裁 Walter Ng 說：“客戶需要更優(yōu)化的、提供更具成本效益的技術解決方案和業(yè)務解決方案。從上市時間的角度來看，在先進節(jié)點上設計和驗證大型片上系統（SoC）所花費的時間也是一個不得不考慮的問題?！?/p>

　　圖源 | The Motley Fool

　　在服務器領域，它采取的方式是將不需要或者不能從中受益的功能從最先進數字邏輯工藝上卸載下來，同時使用高速管芯對管芯互連的異構集成，目前流行的方案是“小芯片”。

　　在小芯片中，芯片制造商可能有一個庫，庫中有一系列模塊化管芯或小芯片，這些模塊不需要都在同一工藝節(jié)點上開發(fā)。通常來說，包含小芯片的設計類似于單片 SoC，但是開發(fā)成本較低。

　　當然，聽起來這種方法很好，但是它仍然存在一些挑戰(zhàn)。“這是一個新興的環(huán)境，是一種新模式。接口方面的標準不足。最早采用小芯片集成的公司往往是可以控制所有設計元素，特別是接口的垂直集成公司，” ASE 的業(yè)務開發(fā)高級總監(jiān) Eelco Bergman 在最近的 IMAPS2020 會議上的演講中說?！叭缃?，小芯片設計將主要由芯片開發(fā)者推動，無論是 IDM 還是無晶圓廠供應商。隨著行業(yè)的發(fā)展和生態(tài)系統的開放，您會看到這種變化。”

　　AMD、英特爾和其他一些公司已經引入了類似小芯片的架構。例如，AMD 最新的服務器處理器系列取代了大型的單芯片，它將較小的芯片集成到了一個模塊中，該模塊有時稱為多芯片模塊（MCM）。使用管芯到管芯互連來連接芯片。

　　AMD 的 MCM 被稱為 2D 小芯片設計，它集成了基于 14nm 工藝的集成 I / O 和內存控制器芯片，這個 14nm 的芯片在整個模塊的中間。MCM 中還集成了八個 7nm 處理器管芯。四個處理器管芯位于 I / O 管芯的每一側。

　　具有 8 個內核芯片和 1 個 I / O 芯片的 AMD EPYC 服務器

　　圖源 | AMD

　　AMD 的服務器處理器產品線轉向了類似小芯片的方案有幾個原因。“為了維持每兩年性能提升 2 倍的趨勢，我們需要使用小芯片技術，不僅要以更高的良率集成更多的晶體管，還需要減少先進工藝節(jié)點上的硅容量。”AMD 的高級研究員 Bryan Black 在一次演講表示。

　　展望未來，AMD 計劃在服務器處理器方面擴大 MCM 的戰(zhàn)果。它還計劃使用 3D 堆疊技術開發(fā)小芯片。Black 說：“隨著我們進入 3D 堆疊的世界，我們在 2D 世界面臨的所有挑戰(zhàn)都將加劇?！?/p>

　　最重要的是，封裝需要裸片具有適當的良率，也被稱為良品白片。封裝中有一個壞晶粒就可能導致產品或系統故障?！八新闫加袇底兓Ｒ虼?，我們會遇到多管芯解決方案的基本測試和特征化問題。有些管芯速度很慢，有些很快，有些消耗的電量更多，有些消耗的電量更少?！盉lack 說。

　　熱量、功率分配和可靠性也是基于小芯片設計的挑戰(zhàn)。然后，如果封裝失敗了，那么最大的問題就是誰來負責。是芯片供應商、IP 供應商還是封裝廠？

　　在這方面，封裝行業(yè)可以借鑒過去的經驗，尤其是 2.5D 早期階段。使用 2.5D 時，管芯堆疊或并排放置在中介層的頂部。中介層結合了硅通孔（TSV），充當芯片和電路板之間的橋梁。

　　在 2.5D 的早期階段，設備制造商一直在努力應對不同的管芯、集成問題和成品率挑戰(zhàn)。但是，隨著時間的流逝，供應商解決了這些問題。

　　如果管芯不符合規(guī)格，供應商將對器件進行廣泛的根本原因分析。這需要一個完善的測試策略。

　　網絡設備領域

　　網絡設備供應商也面臨許多相同的挑戰(zhàn)。網絡是一個復雜的系統，覆蓋從家庭辦公室到云的廣泛范圍。為了應對這些市場，通信設備供應商針對網絡的各個子市場出售不同的系統。

　　例如，在網絡的一部分中，思科為大型服務提供商出售路由器。路由器使用 IP 數據包進行網絡定向。思科最新的路由器基于其自研的 ASIC。思科的單片 ASIC 圍繞 7 納米工藝構建，可在同一芯片上實現 12.8 Tbps 的帶寬。

　　圖源 | chainbulletin.com

　　思科還為其它網絡產品開發(fā) ASIC，其他通信設備供應商也開發(fā)自家的 ASIC。

　　出于多種原因，供應商也在探索或實施替代方法。在每個節(jié)點上，ASIC 變得越來越大，越來越昂貴。它還集成了 SerDes（串行器 / 解串器），可提供高速的芯片到芯片通信。

　　Juniper 的資深工程師 Valery Kugel 在演講中說：“網絡帶寬擴展的要求導致每一代技術的聯網 ASIC 裸片尺寸都會增加。（SerDes）占據了 ASIC 的很大一部分?！?/p>

　　還有一些其它的問題。ASIC 由數字和模擬模塊組成。數字部分可以得益于工藝的升級，可在更高帶寬下實現更多功能。但是，并非所有事情都能從工藝縮減中受益。

　　“SerDes 功能不能受益于工藝縮減，它是一個模擬結構，無法很好地擴展。” TE Connectivity 的技術專家兼行業(yè)標準經理內森·特雷西（Nathan Tracy）說。Tracy 還是行業(yè)標準組織光學互聯網絡論壇（OIF）的主席。

　　這里有包括小芯片在內的幾種解決方案。為了將芯片連接到封裝中，OIF 正在開發(fā)一種稱為 CEI-112G-XSR 的芯片對芯片接口標準。XSR 連接 MCM 中的小芯片和光學引擎。它可通過短距離鏈路實現高達 112Gbps 的數據速率，目前該 XSR 標準仍處于草稿階段。

　　有幾種方法可以在網絡設備中實現小芯片和 XSR。例如，大型 ASIC 分為兩個較小的管芯，這些管芯使用 XSR 鏈接進行連接。

　　在另一個示例中，大型 SerDes 模塊被分解為四個較小的 I / O 芯片。然后，在 MCM 中，ASIC 位于中間，中間被四個較小的 I / O 小芯片包圍。

　　需要管芯到管芯連接的以太網交換機 SoC 的示例

　　圖源 | Synopsys

　　另外，設備制造商可以將光學引擎與 MCM 中的交換芯片 ASIC 集成在一起。

　　特雷西說：“業(yè)界對于和光學器件共同封裝的討論很多。我在這里說的是，從交換機面板上的可插拔光收發(fā)器轉移到直接將光學引擎安裝在交換機 SoC 上的可能性。您需要一個低功耗的高速互連。討論的重點是 OIF 的 XSR 開發(fā)?！?/p>

　　小芯片的采用將取決于具體應用。在某些情況下，ASIC 仍然是有意義的。這里有幾個因素，例如成本和產量。特雷西說：“這一切都是為了減少功耗?！?/p>

　　智能眼鏡領域

　　圖源 | www.ebay.com

　　這些解決方案可能適用于網絡設備，但是消費市場有不同的要求，尤其是對于新興產品而言。

　　例如，在研發(fā)方面，多家公司正在開發(fā)下一代智能眼鏡或 AR / VR 眼鏡。虛擬現實（VR）使用戶可以體驗 3D 虛擬環(huán)境。增強現實（AR）能夠獲取計算機生成的圖像，并將其覆蓋在系統上。

　　如果這項技術可行，AR / VR 眼鏡可以用于數據檢索、面部識別、游戲和語言翻譯。他們還可以將演示文稿或鍵盤投影在表面上。

　　Facebook Reality Labs 的主任兼研究科學家 Liu Chiao 在去年 IEDM 上的一篇論文中表示：“ [AR / VR]及其變體設備只是下一代計算平臺之旅的開始。”

　　開發(fā)一副有用且便宜的智能眼鏡并不是一件簡單的任務。這些產品需要新的低功耗芯片、顯示器和接口。在這些眼鏡中，使用語音、視線和頭部 / 身體移動來激活程序。所有這些技術都必須是安全的。

　　“我們將需要全面的大幅度改進，” Facebook 的硅工程主管 Ron Ho 在 IMAPS2020 的演講中說?！跋鄬τ诠β剩倚枰男阅芤犬斀裣到y的性能高得多。通常，我需要以較低的延遲更快地運行事情?！?/p>

　　為了以合適的尺寸實現智能眼鏡，IC 封裝是關鍵。Ho 說：“我必須管理能夠提高性能和降低延遲的封裝。您不能強迫芯片在 PCIe 上經過多英寸的走線并消耗大量功率。但是，您可以將它們共同封裝在一起，然后放在彼此旁邊。通過 TSV，它們具有更高的帶寬和更高的性能連接?！?/p>

　　在 IEDM 上，Facebook 披露了有關其 AR / VR 眼鏡的一些線索，這些眼鏡正在研發(fā)中。Facebook 在一篇論文中概述了用于 AR / VR 眼鏡的計算機視覺接口技術的發(fā)展。其底層技術是一種先進的 CMOS 圖像傳感器。

　　CMOS 圖像傳感器在智能手機和其他產品中提供相機功能。但是標準的圖像傳感器不足以用于 AR / VR 眼鏡。這里需要的是具有先進封裝的機器感知優(yōu)化圖像傳感器。Facebook 在論文中描述了一種三層圖像傳感器。第一層是具有處理單元的圖像傳感器，其后是聚合處理器，然后是云計算平臺。

　　Facebook 還提到了銅混合鍵合技術。使用銅 - 銅擴散鍵合技術將管芯堆疊并連接。目前尚不清楚 Facebook 是否會走這條路，但是混合鍵合是圖像傳感器領域的一項已知技術。

　　軍事 / 航空領域

　　同時，幾十年來，美國國防部（DoD）認識到芯片技術對于保持美國的軍事優(yōu)勢至關重要。國防界在各種系統中使用各種高級節(jié)點和成熟節(jié)點上的芯片。封裝也是很關鍵的一部分。

　　軍事 / 航空航天涉及眾多具有不同要求的客戶，當然這里有一些共同的主題。Quik-Pak 的 Molitor 說：“我們?yōu)樵S多不同領域提供服務。我們也為軍用 / 航空業(yè)服務。軍事 / 航空計劃往往是長期存在的。它們習慣于處理必須工作 20 到 30 年的組件?！?/p>

　　軍用 / 航空客戶面臨其他挑戰(zhàn)。與商業(yè)領域一樣，開發(fā)先進芯片的成本昂貴，但每次節(jié)點升級帶來的收益卻在減小。另外，對于國防界而言，對芯片產量的需求相對較少。

　　有時，國防界使用非美國本土的代工廠獲得先進工藝的芯片，但出于安全目的，它更傾向于使用本土供應商。軍用 / 航空業(yè)客戶希望獲得可信賴且有保證的芯片和封裝供應鏈。

　　盡管如此，國防部仍在尋找芯片工藝升級以外的替代方法，即異構集成和小芯片。

　　圖源 | theburnin.com

　　例如，英特爾最近獲得了國防部小芯片的新合同，稱為先進異構集成原型（SHIP）項目。根據該計劃，英特爾圍繞小芯片建立了一個新的美國商業(yè)實體。該計劃使國防部和國防行業(yè)的客戶可以使用英特爾的封裝技術。

　　SHIP 計劃包含多個部分。英特爾贏得了該計劃的數字組件合同，Qorvo 則拿下了 SHIP 計劃的 RF 組件合同。在該項目下，Qorvo 將在德克薩斯州建立一個射頻異構封裝設計、生產和原型制作中心。該中心將主要為國防行業(yè)服務。

　　Qorvo 對軍事 / 航空行業(yè)并不陌生。多年來，這家 RF 器件和其他產品的供應商一直為軍事 / 航空和商業(yè)領域提供芯片制造和封裝服務。該公司開發(fā)了基于氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）和其他工藝的器件。

　　根據 SHIP 計劃，Qorvo 將使用基于氮化鎵、砷化鎵和硅器件提供異構封裝服務。目的是滿足國防部所稱的 SWAP-C（這是一個首字母縮寫，表示相控陣雷達系統、無人駕駛車輛、電子戰(zhàn)平臺和衛(wèi)星等各種應用）中的尺寸、重量、功率和成本要求。

　　盡管 Qorvo 將提供一站式服務，但 SHIP 計劃主要是針對封裝的。它將繼續(xù)為軍事 / 航空客戶提供芯片制造和封裝服務?！拔覀兪褂米约旱拇つＰ蜑橹！Ｎ覀兪褂玫氖峭环N開放獲取型的模型。這將是一項服務，您可以在我們的代工廠中進行設計，然后再考慮使用我們的封裝技術來封裝這些零部件，因此，SHIP 計劃是對我們現有能力的補充或擴展?！盬hite 說。

　　同時，軍事 / 航空行業(yè)涉及到定制化的工作。每個客戶可能有不同的封裝要求，并面臨各種挑戰(zhàn)。

　　以 RF 為例。White 說：“ RF 行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一是，一旦將器件放入封裝中，就會改變 RF 性能。您必須設計芯片和 MMIC 使其適合這些封裝，并使其性能盡可能接近其最初的預期性能。”

　　寫在最后

　　預計還有許多其它市場將推動更加異構的集成。蘋果公司的低端 Mac 計算機正在轉向內部開發(fā)的 M1 處理器，該處理器將 CPU 核心、圖形和機器學習引擎集成在“定制封裝”中。

　　現在，一切才剛剛開始。在其它市場（例如 5G、人工智能、移動設備）中，存在許多新的封裝機會，并且伴隨著許多挑戰(zhàn)。但是，在市場發(fā)生新的重大變化的情況下，似乎從來都不缺少使行業(yè)從業(yè)者忙碌起來的機會。