进入后摩尔时代后,5G、人工智能、物联网、大数据和智能制造等应用持续扩张,市场对芯片提出了更高要求:更轻薄的体积、更快的数据传输、更低的功耗,以及更具竞争力的成本。仅依靠制程微缩来提升性能,已经难以完全满足产业需求。在这样的背景下,先进封装逐渐成为推动芯片性能、集成度与商业化效率提升的重要路径。
也正因此,先进封装从过去相对低调的制造环节,走向半导体竞争的核心舞台。围绕这项关键能力,全球主要厂商纷纷加大投入,产业竞争明显升温。
台积电:以整合能力打开局面
台积电切入先进封装,被视为行业格局变化的重要起点。早期在推进相关布局时,市场一度担心其进入下游领域会对传统封测厂造成直接冲击。与此同时,台积电内部也为新技术投入了大量资源,经历了相当长时间的验证与调整。
在这一过程中,CoWoS成为关键成果之一。这项技术属于晶圆级先进封装路线,能够支撑更复杂的高性能芯片整合。不过在技术初期,CoWoS也曾面临价格较高、客户接受度有限的问题,量产初期实际采用的客户并不多。
随后,台积电在原有基础上继续优化,进一步推出InFO技术。相比此前的方案,InFO在芯片厚度、能效和成本表现上更具优势,也因此迅速获得市场认可。自2016年起,这项技术帮助台积电在高端移动芯片市场取得明显突破,并强化了其在先进封装领域的领先地位。
从技术路径看,InFO与CoWoS都属于晶圆级封装,但各自面向的应用重点有所不同。台积电在推进相关技术过程中也付出了很高的试错成本,但这些投入最终转化为较强的产品能力。此后,CoWoS陆续被高性能计算、人工智能训练以及超级计算等场景采用,进一步放大了先进封装的战略价值。
如今,先进封装已经不再只是制程的辅助环节,而是台积电与竞争对手拉开差距的重要筹码。随着算力需求不断增长,台积电也在持续扩展相关技术版图。
持续迭代先进封装平台
台积电认为,过去十年计算负载的增长速度远超以往。云计算、大数据分析、人工智能训练与推理、移动计算以及自动驾驶等应用,正在推动芯片朝着更高性能、更高带宽与更高集成度演进。为应对这些需求,先进封装成为性能与成本协同优化的重要手段。
在数据中心与高速互联需求带动下,台积电还将先进封装延伸至硅光子方向。2021年9月,台积电推出面向数据中心市场的COUPE异构集成技术,可将光学引擎与多种计算、控制ASIC整合在同一封装载板或中间层结构上,从而缩短组件距离、提升带宽与能效,并降低耦合损耗。
与此同时,台积电也不断强化CoWoS平台。2021年8月,公司宣布第五代CoWoS进入量产,可在单一基板封装中整合8片HBM2e高速内存,总容量最高可达128GB。相比早期版本,新一代CoWoS在晶体管整合能力、中介层面积、TSV方案以及铜连接设计等方面都有明显提升,更适合高性能计算与人工智能芯片需求。
日月光:以产能与多样化方案应对变化
随着台积电深入布局先进封装,传统封测厂所承受的竞争压力持续增加。不过,台积电与封测厂的策略并不完全相同。前者更多围绕先进制程客户,面向高性能计算和高端手机等高价值产品提供定制化整合能力;后者则更强调封装方案的多样性、大规模产能以及一站式、相对平价的服务能力。
作为传统封装领域的重要企业,日月光近年来也持续加强先进封装布局,尤其是在晶圆级FOWLP技术方面不断投入。其方向之一,是推动SiP封装由单面走向双面结构;另一个重点则是通过更多异形键设计来减少对基板的依赖,并优化线宽与间距表现。
事实上,早在2014年前后,日月光就已开始投入FOWLP封装研发。最初其采用面板级扇出封装路线,随后又转向晶圆级路线,并逐步完成研发与试产导入。之后,日月光建设了月产能约2万片的FOWLP生产线,并成功获得重要客户订单,成为较早实现相关技术量产的企业之一。
在并购整合方面,日月光完成对矽品的收购后,进一步强化了自身在封装市场的规模优势与技术基础。面对行业竞争升级,公司也继续扩大先进封装投资,例如在高雄布局先进封装新厂,作为“5年6厂”计划的一部分,以提升整体产能与服务能力。
整体来看,日月光已经形成较为完整的先进封装能力体系,可提供SiP、2.5D与3D IC封装以及扇出型封装等技术方案,并在价格、良率、产能和一站式服务上具备竞争力。除了先进封装本身,公司也在覆晶、焊线、面板级封装,以及5G、传感器、车用电子和智能装置等应用方向持续投入。
为了集中资源发展更高附加值业务,日月光也在调整全球产能与资产配置。通过优化大陆市场封测资源布局,公司希望将更多资金和精力投入到先进封装研发及新产能建设之中。
三星:加速追赶,重压先进封装
无论是在晶圆代工还是先进封装领域,三星始终将台积电视为核心竞争对手。随着3nm工艺与3D先进封装逐步进入产业焦点,双方竞争也愈发激烈。相较制程领域,三星在先进封装方面仍存在一定差距,因此正在通过FOPLP、FOWLP以及3D堆叠等方向加快追赶。
过去,三星凭借存储器、处理器和封装协同的一体化优势,在移动芯片市场拥有很强竞争力。但在高端客户争夺中,先进封装能力不足逐渐成为短板。为此,三星近年来明显加大了对先进封装的投入力度,并在多个关键节点连续推出新方案。
2019年10月,三星宣布开发出12层3D-TSV封装技术,通过垂直堆叠12个DRAM芯片、利用约60000个TSV通孔实现互连,在不增加芯片面积的前提下提升内存容量,并计划量产24GB高带宽内存。这被视为三星在高密度堆叠封装上的重要进展。
随后在2020年8月,三星发布3D先进封装技术X-Cube。与传统平面封装不同,X-Cube基于TSV技术,将包括SRAM在内的不同芯片进行垂直堆叠,以提升空间利用率并增强整体性能。三星表示,这一技术可适用于7nm和5nm工艺,并可满足5G、AI、AR、VR、高性能计算和移动芯片等市场需求。
到2021年5月,三星又公布下一代2.5D封装技术I-Cube4。该方案可集成1颗逻辑芯片和4颗高带宽内存,通过提升逻辑与内存之间的通信效率来满足更高算力需求。同时,该技术还将中介层厚度进一步压缩至100微米,以追求更高集成度。不过,也有业内观点认为,过薄结构以及寄生参数问题,仍可能对实际性能和量产稳定性带来挑战。
随着人工智能、高性能计算和网络设备对带宽、功耗和集成密度要求不断提高,单一封装中集成更多、更大芯片已经成为行业趋势。这意味着大尺寸封装、2.5D/3D封装和异构集成将继续成为三星重点投入的方向。
先进封装为何成为新一轮竞争焦点
过去很长一段时间,半导体行业的焦点主要集中在先进制程和光刻设备上。但随着工艺进步难度上升,仅靠晶体管缩放已难以线性提升系统性能,先进封装开始承担起连接芯片、整合异构计算资源、提升带宽和降低系统功耗的重要职责。
对于高性能计算、AI训练与推理、数据中心、自动驾驶以及高端移动终端而言,芯片不再只是单颗裸片的竞争,而是整个封装系统的竞争。谁能在封装层面实现更高效的芯粒互连、更合理的热管理、更优的面积利用率和更好的成本控制,谁就更有机会在下一阶段取得优势。
因此,从台积电到日月光,再到三星,越来越多厂商正在把先进封装提升到战略级位置。未来行业竞争不只是制程之争,也将是异构集成、3D堆叠、扇出型封装与高带宽互连能力的综合比拼。先进封装,正在成为半导体产业新的关键战场。
