據傳，業界公認的臺積電獨吞蘋果訂單的關鍵利器就是CoWoS封裝技術。這幾年，先進封裝技術不斷涌現，目前可以列出的估計有幾十種，讓人眼花繚亂。主流的封裝技術都有哪些？如何區分呢？下面就給大家盤點一下。

為了便于區分，將先進封裝分為兩大類：① 基于XY平面延伸的先進封裝技術，主要通過RDL進行信號的延伸和互連；② 基于Z軸延伸的先進封裝技術，主要是通過TSV進行信號延伸和互連。

基于XY平面延伸的 先進封裝技術

這里的XY平面指的是Wafer或者芯片的XY平面，這類封裝的鮮明特點就是沒有TSV硅通孔，其信號延伸的手段或技術主要通過RDL層來實現，通常沒有基板，其RDL布線時是依附在芯片的硅體上，或者在附加的Molding上。因為最終的封裝產品沒有基板，所以此類封裝都比較薄，目前在智能手機中得到廣泛的應用。

1．FOWLP

FOWLP (Fan-out Wafer Level Package)是WLP（Wafer Level Package）的一種，因此我們需要先了解WLP晶圓級封裝。

在WLP技術出現之前，傳統封裝工藝步驟主要在裸片切割分片后進行，先對晶圓（Wafer）進行切割分片（Dicing），然后再封裝（Packaging）成各種形式。

WLP于2000年左右問世，有兩種類型：Fan-in（扇入式）和Fan-Out（扇出式）WLP晶圓級封裝和傳統封裝不同，在封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓進行操作，即在晶圓上進行整體封裝（Packaging），封裝完成后再進行切割分片。

因為封裝完成后再進行切割分片，因此，封裝后的芯片尺寸和裸芯片幾乎一致，因此也被稱為CSP（Chip Scale Package）或者WLCSP（Wafer Level Chip Scale Packaging），此類封裝符合消費類電子產品輕、小、短、薄化的市場趨勢，寄生電容、電感都比較小，并具有低成本、散熱佳等優點。

開始WLP多采用Fan-in型態，可稱之為Fan-in WLP 或者FIWLP，主要應用于面積較小、引腳數量少的芯片。

隨著IC工藝的提升，芯片面積縮小，芯片面積內無法容納足夠的引腳數量，因此衍生出Fan-Out WLP 封裝形態，也稱為FOWLP，實現在芯片面積范圍外充分利用RDL做連接，以獲取更多的引腳數。

FOWLP，由于要將RDL和Bump引出到裸芯片的外圍，因此需要先進行裸芯片晶圓的劃片分割，然后將獨立的裸芯片重新配置到晶圓工藝中，并以此為基礎，通過批量處理、金屬化布線互連，形成最終封裝。FOWLP封裝流程如下圖所示。

FOWLP受到很多公司的支持，不同的公司也有不同的命名方法，下圖所示為各大公司的提供的FOWLP。

無論是采用Fan-in還是Fan-out，WLP晶圓級封裝和PCB的連接都是采用倒裝芯片形式，芯片有源面朝下對著印刷電路板，可以實現最短的電路徑，這也保證了更高的速度和更少的寄生效應。另一方面，由于采用批量封裝，整個晶圓能夠實現一次全部封裝，成本的降低也是晶圓級封裝的另一個推動力量。

2．INFO

InFO技術起源于FOWLP封裝。FOWLP封裝最早在2009~2010年由Intel提出，僅用于手機基帶芯片封裝。FOWLP的英文全稱為Fan-Out Wafer Level Packaging，簡稱FOWLP，中文全稱為扇出型晶圓級封裝，其采取拉線出來的方式，成本相對便宜。FOWLP可以讓多種不同裸晶，做成像WLP制程一般埋進去，等于減一層封裝，假設放置多顆裸晶，等于省了多層封裝，有助于降低客戶成本。此時唯一會影響IC成本的因素則為裸晶大小。

相較系統級封裝（SiP），扇出型晶圓級封裝不僅設計難度低于矽穿孔（Through Silicon Via；TSV）3D IC，且接近2.5D IC概念與相對有助降低成本。2013年起，全球各主要封測廠積極擴充FOWLP產能，主要是為了滿足中低價智慧型手機市場，對于成本的嚴苛要求。FOWLP由于不須使用載板材料，因此可節省近30%封裝成本，且封裝厚度也更加輕薄，有助于提升晶片商產品競爭力。臺積電（TSMC）在扇出型晶圓級封裝領域投入并開發了集成扇出型（Integrated Fan-Out, InFO）封裝技術，改變了晶圓級封裝的市場格局。隨著InFO技術的大規模應用，以及嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）技術的進一步發展，一批新廠商和扇出型晶圓級封裝技術可能將進入市場。臺積電的扇出型晶圓級封裝解決方案被稱為InFO，已用于蘋果iPhone 7系列手機的A10應用處理器封裝，其量產始于2016年。

臺積電在2014年宣傳InFO技術進入量產準備時，稱重布線層（RDL）間距（pitch）更小（如10微米），且封裝體厚度更薄。

InFO給予了多個芯片集成封裝的空間，比如8mm x 8mm平臺可用于射頻和無線芯片的封裝，15mm x 15mm可用于應用處理器和基帶芯片封裝，而更大尺寸如25mm x 25mm用于圖形處理器和網絡等應用的芯片封裝。

2016年說是扇出型封裝市場的轉折點，蘋果和臺積電的加入改變了該技術的應用狀況，可能將使市場開始逐漸接受扇出型封裝技術。扇出型封裝市場將分化發展成兩種類型：

（1）扇出型封裝“核心”市場，包括基帶、電源管理及射頻收發器等單芯片應用。該市場是扇出型晶圓級封裝解決方案的主要應用領域，并將保持穩定的增長趨勢。

（2）扇出型封裝“高密度”市場，始于蘋果公司APE，包括處理器、存儲器等輸入輸出數據量更大的應用。該市場具有較大的不確定性，需要新的集成解決方案和高性能扇出型封裝解決方案。但是，該市場具有很大的市場潛力。

FOWLP可滿足更多I/O數量需求，如果要大量應用FOWLP技術，首先必須克服以下之各種挑戰問題：
（1）焊接點的熱機械行為：因FOWLP的結構與BGA構裝相似，所以FOWLP焊接點的熱機械行為與BGA構裝相同，FOWLP中焊球的關鍵位置在硅晶片面積的下方，其最大熱膨脹系數不匹配點會發生在硅晶片與PCB之間。

（2）晶片位置之精確度：在重新建構晶圓時，必須要維持晶片從持取及放置（Pick and Place）于載具上的位置不發生偏移，甚至在鑄模作業時，也不可發生偏移。因為介電層開口，導線重新分布層（Redistribution Layer; RDL）與焊錫開口（Solder Opening）制作，皆使用黃光微影技術，光罩對準晶圓及曝光都是一次性，所以對于晶片位置之精確度要求非常高。

（3）晶圓的翹曲行為：人工重新建構晶圓的翹曲（Warpage）行為，也是一項重大挑戰，因為重新建構晶圓含有塑膠、硅及金屬材料，其硅與膠體之比例在X、Y、Z三方向不同，鑄模在加熱及冷卻時之熱漲冷縮會影響晶圓的翹曲行為。

（4）膠體的剝落現象：在常壓時被膠體及其他聚合物所吸收的水份，在經過220~260℃回焊（Reflow）時，水份會瞬間氣化，進而產生高的內部蒸氣壓，如果膠體組成不良，則易有膠體剝落之現象產生。

3．FOPLP

FOPLP（Fan-out Panel Level Package）面板級封裝，借鑒了FOWLP的思路和技術，但采用了更大的面板，因此可以量產出數倍于 300 毫米硅晶圓芯片的封裝產品。

FOPLP技術是FOWLP 技術的延伸，在更大面積的方形載板上進行Fan-Out制程，因此被稱為 FOPLP 封裝技術，其Panel載板可以采用PCB載板，或者液晶面板用的玻璃載板。

目前而言，FOPLP采用了如 24×18英寸（610×457mm）的PCB載板，其面積大約是 300 mm硅晶圓的4 倍，因而可以簡單的視為在一次的制程下，就可以量產出 4 倍于300 mm硅晶圓的先進封裝產品。

和FOWLP工藝相同，FOPLP 技術可以將封裝前后段制程整合進行，可以將其視為一次的封裝制程，因此可大幅降低生產與材料等各項成本。下圖為FOWLP和FOPLP比較。

FOPLP采用了PCB上的生產技術進行RDL的生產，其線寬、線間距目前均大于10um，采用SMT設備進行芯片和無源器件的貼裝，由于其面板面積遠大于晶圓面積，因而可以一次封裝更多的產品。相對FOWLP，FOPLP具有更大的成本優勢。目前，全球各大封裝業者包括三星電子、日月光均積極投入到FOPLP 制程技術中。

4．EMIB

EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）嵌入式多芯片互連橋先進封裝技術是由英特爾提出并積極應用的，和前面描述的3種先進封裝不同，EMIB是屬于有基板類封裝，因為EMIB也沒有TSV，因此也被劃分到基于XY平面延伸的先進封裝技術。

EMIB理念跟基于硅中介層的2.5D封裝類似，是通過硅片進行局部高密度互連。與傳統2.5封裝的相比，因為沒有TSV，因此EMIB技術具有正常的封裝良率、無需額外工藝和設計簡單等優點。

傳統的SoC芯片，CPU、GPU、內存控制器及IO控制器都只能使用一種工藝制造。采用EMIB技術，CPU、GPU對工藝要求高，可以使用10nm工藝， IO單元、通訊單元可以使用14nm工藝，內存部分則可以使用22nm工藝，采用EMIB先進封裝技術可以把三種不同工藝整合到一起成為一個處理器。下圖是EMIB示意圖。

和硅中介層（interposer）相比，EMIB硅片面積更微小、更靈活、更經濟。EMIB封裝技術可以根據需要將CPU、IO、GPU甚至FPGA、AI等芯片封裝到一起，能夠把10nm、14nm、22nm等多種不同工藝的芯片封裝在一起做成單一芯片，適應靈活的業務的需求。

通過EMIB方式，KBL-G平臺將英特爾酷睿處理器與AMD Radeon RX Vega M GPU整合在一起，同時具備了英特爾處理器強大的計算能力與AMD GPU出色的圖形能力，并且還有著極佳的散熱體驗。這顆芯片創造了歷史，也讓產品體驗達到了一個新的層次。

基于Z軸延伸的 先進封裝技術

基于Z軸延伸的先進封裝技術主要是通過TSV進行信號延伸和互連，TSV可分為2.5D TSV和3D TSV，通過TSV技術，可以將多個芯片進行垂直堆疊并互連。

在3D TSV技術中，芯片相互靠得很近，所以延遲會更少，此外互連長度的縮短，能減少相關寄生效應，使器件以更高的頻率運行，從而轉化為性能改進，并更大程度的降低成本。

TSV技術是三維封裝的關鍵技術，包括半導體集成制造商、集成電路制造代工廠、封裝代工廠、新興技術開發商、大學與研究所以及技術聯盟等研究機構都對 TSV 的工藝進行了多方面的研發。

此外，需要讀者注意，雖然基于Z軸延伸的先進封裝技術主要是通過TSV進行信號延伸和互連，但RDL同樣是不可或缺的，例如，如果上下層芯片的TSV無法對齊時，就需要通過RDL進行局部互連。

5．CoWoS

CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）是臺積電推出的 2.5D封裝技術，CoWoS是把芯片封裝到硅轉接板（中介層）上，并使用硅轉接板上的高密度布線進行互連，然后再安裝在封裝基板上，如下圖所示。

CoWoS和前面講到的InFO都來自臺積電，CoWoS有硅轉接板Silicon Interposer，InFO則沒有。CoWoS針對高端市場，連線數量和封裝尺寸都比較大。InFO針對性價比市場，封裝尺寸較小，連線數量也比較少。

臺積電2012年就開始量產CoWoS，通過該技術把多顆芯片封裝到一起，通過Silicon Interposer高密度互連，達到了封裝體積小，性能高、功耗低，引腳少的效果。

臺積電表示第5代技術的晶體管數量是第3代的20倍。新的封裝技術增加了3倍的中介層面積，使用了全新的TSV解決方案，更厚的銅連接線。目前，這項技術已經用于制造AMD MI200“Aldebaran”專業計算卡，其中封裝了2顆GPU核心、8片HBM2e緩存。

臺積電還表示，新技術同時也使用了性能更好的導熱方式，第5代技術使用了金屬導熱材料，熱阻降低至此前的0.15倍，有助于這類高性能芯片散熱。

臺積電目前還在開發第六代CoWoS封裝解決方案，以集成更多的小芯片和DRAM芯片，仍未確定最終方案，預計可以在同一封裝內容納兩個計算芯片和八個或以上的HBM3 DRAM芯片，可能會在2023年推出。

CoWoS技術應用很廣泛，英偉達的GP100、戰勝柯潔的AlphaGo背后的Google芯片TPU2.0都是采用CoWoS技術，人工智能AI的背后也是有CoWoS的貢獻。目前，CoWoS已經獲得NVIDIA、AMD、Google、XilinX、華為海思等高端芯片廠商的支持。

6．HBM

HBM（High-Bandwidth Memory ）高帶寬內存，主要針對高端顯卡市場。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技術，通過3D TSV把多塊內存芯片堆疊在一起，并使用2.5D TSV技術把堆疊內存芯片和GPU在載板上實現互連。下圖所示為HBM技術示意圖。

HBM目前有三個版本，分別是HBM、HBM2和HBM2E，其帶寬分別為128 GBps/Stack、256 GBps/Stack和307 GBps/Stack，最新的HBM3還在研發中。

AMD、NVIDIA和海力士主推的HBM標準，AMD首先在其旗艦顯卡首先使用HBM標準，顯存帶寬可達512 GBps，NVIDIA也緊追其后，使用HBM標準實現1TBps的顯存帶寬。和DDR5相比，HBM性能提升超過了3倍，但功耗卻降低了50%。

7．HMC

HMC(Hybrid Memory Cube)標準由美光主推，目標市場是高端服務器市場，尤其是針對多處理器架構。HMC使用堆疊的DRAM芯片實現更大的內存帶寬。另外HMC通過3DIC異質集成技術把內存控制器(memory controller)集成到DRAM堆疊封裝里。以往內存控制器都做在處理器里，所以在高端服務器里，當需要使用大量內存模塊時，內存控制器的設計非常復雜。現在把內存控制器集成到內存模塊內，則內存控制器的設計就大大地簡化了。最后，HMC使用高速串行接口(SerDes)來實現高速接口，適合處理器和內存距離較遠的情況(例如處理器和內存在兩張不同的PCB板上)。

下圖所示為HMC技術示意圖。

對比HBM和HMC可以看出，兩者很相似，都是將DRAM芯片堆疊并通過3D TSV互連，并且其下方都有邏輯控制芯片，兩者的不同在于：HBM通過Interposer和GPU互連，而HMC則是直接安裝在Substrate上，中間缺少了Interposer和2.5D TSV。

在HMC堆疊中，3D TSV的直徑約為5~6um，數量超過了2000+，DRAM芯片通常減薄到50um，之間通過20um的MicroBump將芯片相連。

以往內存控制器都做在處理器里，所以在高端服務器里，當需要使用大量內存模塊時，內存控制器的設計非常復雜。現在把內存控制器集成到內存模塊內，則內存控制器的設計就大大地簡化了。此外，HMC使用高速串行接口（SerDes）來實現高速接口，適合處理器和內存距離較遠的情況。

8．Wide-IO

Wide-IO（Wide Input Output）寬帶輸入輸出技術由三星主推，目前已經到了第二代，可以實現最多512bit的內存接口位寬，內存接口操作頻率最高可達1GHz，總的內存帶寬可達68GBps，是DDR4接口帶寬（34GBps）的兩倍。

Wide-IO通過將Memory芯片堆疊在Logic芯片上來實現，Memory芯片通過3D TSV和Logic芯片及基板相連接，如下圖所示。

Wide-IO具備TSV架構的垂直堆疊封裝優勢，有助打造兼具速度、容量與功率特性的移動存儲器，滿足智慧型手機、平板電腦、掌上型游戲機等行動裝置的需求，其主要目標市場是要求低功耗的移動設備。

9．Foveros

除了前面介紹過的EMIB先進封裝之外，Intel還推出了Foveros有源板載技術。在Intel的技術介紹中，Foveros被稱作3D Face to Face Chip Stack for heterogeneous integration，三維面對面異構集成芯片堆疊。

EMIB與Foveros的區別在于前者是2D封裝技術，而后者則是3D堆疊封裝技術，與2D的EMIB封裝方式相比，Foveros更適用于小尺寸產品或對內存帶寬要求更高的產品。其實EMIB和Foveros在芯片性能、功能方面的差異不大，都是將不同規格、不同功能的芯片集成在一起來發揮不同的作用。不過在體積、功耗等方面，Foveros 3D堆疊的優勢就顯現了出來。Foveros每比特傳輸的數據的功率非常低，Foveros技術要處理的是Bump間距減小、密度增大以及芯片堆疊技術。

下圖所示是 Foveros 3D封裝技術示意圖。

首款Foveros 3D堆疊設計的主板芯片LakeField，它集成了10nm Ice Lake處理器以及22nm核心，具備完整的PC功能，但體積只有幾枚美分硬幣大小。

雖說Foveros是更為先進的3D封裝技術，但它與EMIB之間并非取代關系，英特爾在后續的制造中會將二者結合起來使用。

10．Co-EMIB（Foveros + EMIB）

Co-EMIB是EMIB和Foveros的綜合體，EMIB主要是負責橫向的連結，讓不同內核的芯片像拼圖一樣拼接起來，而Foveros則是縱向堆棧，就好像蓋高樓一樣，每層樓都可以有完全不同的設計，比如說一層為健身房，二層當寫字樓，三層作公寓。

將EMIB和Foveros合并起來的封裝技術被稱作Co-EMIB，是可以具有彈性更高的芯片制造方法，可以讓芯片在堆疊的同時繼續橫向拼接。因此，該技術可以將多個3D Foveros芯片通過EMIB拼接在一起，以制造更大的芯片系統。下圖是Co-EMIB技術示意圖。

Co-EMIB封裝技術能提供堪比單片的性能，達成這個技術的關鍵，就是ODI（Omni-Directional Interconnect）全向互連技術。ODI具有兩種不同型態，除了打通不同層的電梯型態連接外，也有連通不同立體結構的天橋，以及層之間的夾層，讓不同的芯片組合可以有極高的彈性。ODI封裝技術可以讓芯片既實現水平互連，又可以實現垂直互連。

Co-EMIB通過全新的3D + 2D封裝方式，將芯片設計思維也從過去的平面拼圖，變成堆積木。因此，除了量子計算等革命性的全新計算架構外，CO-EMIB可以說是在維持并延續現有計算架構與生態的最佳作法。

11．SoIC

SoIC也稱為TSMC-SoIC，是臺積電提出的一項新技術——集成片上系統（System-on-Integrated-Chips），預計在2021年，臺積電的SoIC技術就將進行量產。

究竟什么是SoIC？所謂SoIC是一種創新的多芯片堆棧技術，能對10納米以下的制程進行晶圓級的集成。該技術最鮮明的特點是沒有凸點（no-Bump）的鍵合結構，因此具有有更高的集成密度和更佳的運行性能。

SoIC包含CoW（Chip-on-wafer）和WoW（Wafer-on-wafer）兩種技術形態，從TSMC的描述來看，SoIC就一種WoW晶圓對晶圓或CoW芯片對晶圓的直接鍵合（Bonding）技術，屬于Front-End 3D技術（FE 3D）,而前面提到的InFO和CoWoS則屬于Back-End 3D技術（BE 3D）。TSMC和Siemens EDA（Mentor）就SoIC技術進行合作，推出了相關的設計與驗證工具。

下圖是3D IC和SoIC集成的比較。

具體的說，SoIC和3D IC的制程有些類似，SoIC的關鍵就在于實現沒有凸點的接合結構，并且其TSV的密度也比傳統的3D IC密度更高，直接通過極微小的TSV來實現多層芯片之間的互聯。如上圖所示是3D IC和SoIC兩者中TSV密度和Bump尺寸的比較。可以看出，SoIC的TSV密度要遠遠高于3D IC，同時其芯片間的互聯也采用no-Bump的直接鍵合技術，芯片間距更小，集成密度更高，因而其產品也比傳統的3D IC有更高的功能密度。

12．X-Cube

將芯片從2D平鋪封裝改成3D立體式堆疊式封裝已經成為目前半導體業界的共識，這種在第三維度上進行拓展的封裝技術能夠有效降低整個芯片的面積，提升集成度。目前業界領頭羊都在3D封裝技術上面努力著，前有臺積電的CoWoS（實際上是2.5D），后有Intel的Foveros，而三星自家的3D封裝技術就名為X-Cube。

X-Cube的全稱是eXtended-Cube，意為拓展的立方體。在Die之間的互聯上面，它使用的是成熟的TSV工藝，即硅穿孔工藝。目前三星自己的X-Cube測試芯片已經能夠做到將SRAM層堆疊在邏輯層之上，通過TSV進行互聯，制程是他們自家的7nm EUV工藝。三星表示這樣可以將SRAM與邏輯部分分離，更易于擴展SRAM的容量。另外，3D封裝縮短了Die之間的信號距離，能夠提升數據傳輸速度并提高能效。

X-Cube可靈活應用于未來芯片之上，包括5G、AI和高性能計算等領域的芯片均可使用該技術。三星表示X-Cube已經在自家的7nm和5nm制程上面通過了驗證，計劃和無晶圓廠的芯片設計公司繼續合作，推進3D封裝工藝在下一代高性能應用中的部署。

X-Cube技術大幅縮短了芯片間的信號傳輸距離，提高數據傳輸速度，降低功耗，并且還可以按客戶需求定制內存帶寬及密度。

2021年5月，三星宣布下一代2.5D封裝技術Interposer-Cube4（I-Cube4）即將面世，可將一個或多個Logic Chip和多個高帶寬內存芯片（HBM）使用硅中介層，從而使多個芯片排列封裝在一個芯片里。

到了2021年11月，三星又推出了全新2.5D封裝解決方案H-Cube（Hybrid Substrate Cube，混合基板封裝），專用于需要高性能和大面積封裝技術的HPC、人工智能、數據中心和網絡產品等領域。

三星電子透露，H-Cube技術是由三星晶圓代工廠和Amkor Technology公司聯合開發，采用在高端ABF基板上疊加大面積的HDI基板的結構，通過將連接芯片和基板的焊錫球間距縮短35%，縮小ABF基板的尺寸，同時在ABF基板下添加HDI基板以確保與系統板的連接，從而進一步實現更大的2.5D封裝。

來源：SiP與先進封裝技術等網絡內容綜合

審核編輯：湯梓紅