如何将芯片内部世界和外部系统相连？这个答案毫无疑问地落在了封装上。当前，集成电路沿着两条路径持续演进：一条是“摩尔定律”，向着小型化方向发展，通过微缩互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的晶体管栅极尺寸增加芯片晶体管数量，以提升芯片性能；另一条则沿着“超越摩尔定律”向多样化方向发展——即采用先进封装技术将处理、模拟/射频、光电、能源、传感、生物等集成在一个系统内，实现系统性能的提升。先进封装的出现，使得通过封装技术推动芯片高密度集成、性能提升、体积微型化和成本下降的实践不再是“无本之木”。
Yole数据显示，2021年全球先进封装市场总营收为374亿美元，预计先进封装市场将在2027年达到650亿美元规模，2021-2027年间年化复合增速达9.6%。先进封装在整个封装市场占比逐步提升的背景下，令业界看到其巨大潜力。
集微网与芯和半导体科技（上海）股份有限公司副总裁仓巍，英特尔研究院副总裁、中国研究院院长宋继强，江苏芯德半导体科技有限公司技术副总张中就先进封装的技术路线与现实挑战，及相关应用作探讨。
先进封装登场，技术路线“谁主沉浮”
2000年以来，集成电路封装从括球栅阵列封装、倒装芯片封装等转入更为复杂的封装结构“阵地”，雨后春笋般涌现出以晶圆级封装(WLP) 、系统级封装(SiP) 、硅通孔(TSV)、2.5D/3D封装、嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）等为代表的先进封装技术。
时至2023年，“百花齐放”的先进封装技术中，哪些会成为主流？
芯徳科技技术副总张中说：“个人观察，目前晶圆级封装（WLP）出货量仍然是最大的，在市场逐步恢复后，中国大陆封装厂月出货量可达亿级规模。如果从今后趋势判断，我们倾向于以Chiplet为理念的2.5D/3D封装会成长为主要的先进封装形式。”
据悉，晶圆级封装（WLP）主要有Fan-in（扇入式）、Fan-Out（扇出式）两种类型。其与传统封装不同之处在于，封装过程中大部分工艺都是对晶圆进行操作，即在晶圆上进行整体封装，封装完成后再切割分片，符合轻、小、短、薄化市场趋势。
英特尔研究院副总裁、中国研究院院长宋继强指出，众多先进封装技术中，硅通孔（TSV）是实现3D先进封装的重要技术，目前还在探索TDV绝缘层穿孔技术，在微小尺度下比TSV拥有更好的供电能力和信号完整性。2.5D、3D先进封装技术的发展，也是为实现SiP系统级封装，将不同功能、不同制程的芯片更好地集成在一个大封装里。先进封装技术要想在半导体行业成为主流，需要依靠在产品中的大规模使用来提高性价比，目前英特尔产品已在应用2.5D和3D先进封装技术。
某权威咨询机构资深分析师赵玉（化名）表示，技术市场驱动着2.5D、3D封装向着先进封装主流技术发展，尤其在人工智能的推动下。此外，就现阶段来看，Fan-Out在小尺寸封装里也是不错的选择。
此外，随着先进封装技术不断发展，尤其晶圆级封装产业规模持续提高，与芯片设计、制造业的协同发展显得更加重要。而晶圆级封装的出现让晶圆厂和封装厂之间的界限“模糊不明”，为台积电、英特尔和三星等企业提供了在先进封装“舞台”上展示实力的机会。
宋继强对此表示，更高级的封装技术的应用，对封装厂设备、原材料、洁净度等要求都在向晶圆厂靠拢。譬如英特尔将很多原来封装厂的工作转移到晶圆厂进行，系统性地使用无机材料替换有机材料，采用先进的铜填充与平整技术，让先进封装所需的制造流程更容易与晶圆厂整合，例如3D先进封装就主要由晶圆厂在做，“当然，先进封装的不断发展，和其它半导体技术一样，绝非一家或几家企业就能实现的，而需要整个行业的开放协作，以产业界、学术界的深度融合。”
大陆先进封装“格局”，集结长三角
封测产业格局来看，全球前十大委外封测（OSAT）厂商中，中国台湾以5家的绝对数量位居第一，分别是日月光、力成科技、京元电子、欣邦、南茂；中国大陆拥有4家，分别是长电科技、通富微电、华天科技、智路封测；美国拥有安靠1家。
就2022年营收情况看，日月光、安靠、长电科技牢牢把持着“前三强”地位，总市占率超50%；而通富微电超越力成科技，位列全球第四大OSAT厂商。
当视线更聚焦在中国大陆封测市场时，重要“玩家”的名单则又丰富了一些，主要包括长电科技（江苏无锡）、通富微电（江苏南通）、华天科技（甘肃天水）、沛顿科技（广东深圳）、华润微电子（江苏无锡）、甬矽电子（浙江宁波）、晶方科技（江苏苏州）、芯德半导体（江苏南京）等企业。总体观察，封测厂商高度集中于长三角地区，又以江苏为“个中翘楚”。
2023年3月以来，长电科技、通富微电、华天科技纷纷发布2022年年报：
长电科技2022年实现营业收入337.62亿元，比上年同口径营业收入增长10.69%；实现归属于上市公司股东的净利润32.31亿元，同比增长9.20%。近年来，长电科技重点发展SiP、晶圆级和2.5D/3D等先进封装技术，并大规模生产，上年先进封装产品产量达220.32亿只，同比增长6.35%。
通富微电2022年实现营业收入214.29亿元，同比增长35.52%，实现归属于母公司股东的净利润5.02亿元，同比下滑47.53%。目前，通富微电在Chiplet、WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D堆叠等先进封装方面均有布局。
华天科技2022年实现营业收入119.06亿元，同比下降1.58%，实现归属于上市公司股东的净利润7.54亿元，同比下降46.74%。目前，华天科技已掌握SiP、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP、3D等先进封装技术。
一边是中国大陆封测厂商努力跃升，另一边国际大厂却频频爆出转移先进封装产能消息，两相对比引发“国产化机遇”的讨论。长电科技在2022年度业绩说明会上表示，对任何一家国际大厂而言，中国市场是非常重要的，所以它们会将一些原来自己内部芯片终端成品的生产外包到像长电来生产......总体而言，今年一、二季度，由于国际大客户业务承压，像长电这样的国际化企业在业绩上会有比较大的压力，但是由于这样的大趋势，明年、后年及未来会随着全球产业化的重新布局，反而得到更大的发展机遇。
先进封装三大挑战，“试错空间很重要”
以10年维度看，一系列海外并购帮助中国大陆封测厂商迅速获得技术及市场，弥补了结构性缺陷，极大推动封测产业向上跃升。但与世界先进水平相比，中国大陆先进封装技术普遍存在“三大挑战”，亟待解决：
1. 目前中国大陆封装领域总体以传统中低端封装为主，以TSV为代表的2.5D/3D封装和以扇出型封装为代表的高密度扇出型技术，与国外存在一定差距；
2. 先进封装关键装备及材料尚未实现自主可控，整体基础技术水平不高，先进封测技术所需的部分关键封装、测试设备和材料主要依赖进口，成为头顶高悬的“达摩克利斯之剑”；
3. 封装设计企业主要依赖境外商用EDA工具，中国大陆封装级EDA市场占有率较低，自主可控风险极大，急需领军企业实现技术突破。
芯徳科技技术副总张中作观点分享、补充。他指出，先进封装涉及大量仿真技术等，封装厂商与设计公司之间要保持良性互动，原则上沟通越早越好；目前先进封装领域所涉及的设备、材料部分关键工序以国外为主，譬如2.5D/3D封装用到的晶圆级塑封机目前还要依靠美国和日本。他呼吁，大陆2.5D/3D等先进封装起步较晚，业界对其发展要宽容，给予一定的试错空间。据悉，今年3月10日，芯德科技在南京发布CAPiC晶粒及先进封装技术平台，一举推出六大核心封装技术。
EDA工具方面，成立于2010年的芯和半导体在该领域显然有着较强“话语权”，早在2014年就布局了先进封装领域的EDA工具。
“摩尔定律放缓和对高性能计算的追求正引领3DIC Chiplet先进封装时代的到来。”芯和半导体副总裁仓巍表示，全球范围内，AMD、英特尔、亚马逊、Facebook都在大力发展Chiplet先进封装技术。其作为新事物，倡导以系统设计为驱动，将设计、制造、封测工程师在一个协作平台上有效串联，这对传统单芯片设计流程、设计工具甚至底层算法带来巨大颠覆。目前EDA国际巨头齐头并进，希望尽快形成新设计流程与客户粘性。2021年，芯和全球首发针对3DIC Chiplet先进封装的设计分析全流程EDA平台。
据悉，该平台提供从开发、设计、验证、信号完整性仿真、电源完整性仿真到最终签核的3DIC全流程解决方案，全面支持2.5D Interposer、3DIC和Chiplet设计。
“HPC+AI”为先进封装不断注入内驱力
近年来，先进封装的内驱力已从高端智能手机领域逐步转向高性能计算（HPC）、人工智能（AI）等，涉及高性能处理器、存储器、人工智能训练和推理等。
就“人工智能在推动先进封装技术发展上将起到怎样作用”这一问题，芯和半导体副总裁仓巍回应，从人工智能（如ChatGPT）的角度来看，高性能计算将会是实现这一技术突破的关键基础。算力是人工智能发展的技术保障，是人工智能发展的动力和引擎。当摩尔定律接近物理极限，通过SoC单芯片的进步已经很难维系更高性能的HPC，整个系统层面的异构集成先进封装将成为半导体高速增长的最重要引擎之一。
“越来越多的系统公司开始垂直整合，自研芯片已成为新的风潮，从系统最终应用的角度倒推规划异构集成中的所有芯片和先进封装设计，进行协同设计和仿真分析，这些趋势对EDA构成巨大挑战。为填补异构集成设计分析这一市场空白，国际领先的EDA厂商都在开发前所未有的EDA解决方案，也给了国产EDA弯道超车的最佳时机。”仓巍说道。
芯徳科技技术副总张中表示，人工智能推动先进封装技术发展是毫无疑问的。以ChatGPT为例，其对算力要求高，需要高性能芯片支持。而当前实际处理 ChatGPT的GPU就是英伟达的HGX A100，其依托2.5D/3D封装技术实现，发挥出最优性能。
伴随AI快速发展，AI大模型的参数量已达到万亿级，其能力不断增强的同时，训练和推理亟需较大算力支持，这需要性能更强、功耗更低的芯片。
英特尔研究院副总裁、中国研究院院长宋继强指出，晶体管尺寸正逐渐逼近物理极限，在探索提高芯片算力的创新路径中，先进封装便是其中之一：一方面，先进封装可不断微缩互连间距，增加在单个设备内集成的晶体管数量；另一方面，利用先进封装技术在一个封装好的设备里构建完整的计算系统，令不同厂商生产的、基于不同制程的、不同功能的异构硬件（如CPU、GPU、FPGA、AI加速器等），经由高密度的互连集成在一起高效工作，通过异构计算进一步释放算力。此外，由于AI大模型训练和推理使用的数据量非常大，也亟需采用带宽更高、能耗更优的数据传输模块，如可以与计算、存储芯片封装在一起的集成光子模块。
写在最后
“今后一段时间是封测产业发展的黄金时期，”今年3月，厦门大学教授于大全在一场主题演讲中说：“随着集成电路应用多元化，新兴领域对先进封装提出更高要求，封装技术发展迅速。”诚然，AI浪潮已起，5G等新兴产业并肩而行，共同推动先进封装大有可为。而黄金时期到来之际，大力攻关核心工艺，实现设备、材料自主可控，加速EDA工具发展等将成为中国大陆“冲刺”先进封装的当务之急。（校对/刘沁宇）
参考资料：
[1] 曹立强，侯峰泽，王启东，等.先进封装技术的发展与机遇[J]
[2] 王若达，先进封装推动半导体产业新发展
