李振華+加海

摘要：隨著國際電子信息行業(yè)新的變革，3D封裝蓬勃興起。本文將從發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢兩個(gè)方面對當(dāng)前3D封裝技術(shù)加以闡述，使大家對3D封裝技術(shù)的重要性及其意義有大致的了解。

關(guān)鍵詞：3D封裝，現(xiàn)狀，趨勢

一 3D封裝的發(fā)展現(xiàn)狀

3D封裝號(hào)稱是超越摩爾定律瓶頸的最大“殺手锏”，但是對于大部分應(yīng)用而言，3D封裝和2.5D封裝工藝仍然太昂貴了，但是可以利用這種工藝的優(yōu)勢并讓消費(fèi)者買單的一些高端應(yīng)用正在進(jìn)行這種新工藝的嘗試。不要指望3D封裝芯片會(huì)很快出現(xiàn)在你的手機(jī)上，但在路由器、服務(wù)器以及高端的東西上已經(jīng)開始看到3D 封裝芯片的身影。三星做的一項(xiàng)研究顯示，相較于層疊封裝設(shè)計(jì)（就像目前蘋果的Ax系列處理器的設(shè)計(jì)），3D封裝和2.5D封裝工藝可以做到在封裝尺寸下降、功耗下降的同時(shí)帶寬可以大幅度增長。在這些高價(jià)位的設(shè)計(jì)中3D封裝工藝的價(jià)值開始凸顯【1】。

業(yè)界現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些非常高規(guī)格的3D封裝器件。最早出現(xiàn)的是Xilinx公司的高端FPGA，但它的出貨量非常低，價(jià)格也非常高，所以關(guān)于讓3D封裝工藝的價(jià)格真正降下來這件事，它并不能提供多少參考價(jià)值，而且事實(shí)上它也只是2.5D封裝的產(chǎn)品，還不是真正的3D封裝。三星發(fā)布了其DDR4 DRAM 3D DIMM模塊。美光的混合存儲(chǔ)立方體即將開始正式量產(chǎn)：這個(gè)存儲(chǔ)器件在四個(gè)內(nèi)存芯片上堆疊一個(gè)實(shí)現(xiàn)了所有控制邏輯的邏輯芯片。SK海力士和三星也宣布他們的3D封裝內(nèi)存產(chǎn)品正在進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。

AMD（ATI）發(fā)布了采用20nm工藝的3D堆疊高帶寬內(nèi)存（HBM），計(jì)劃在明年第二季度開始供貨。Nvidia也表示將在2016年引入3D封裝工藝，英特爾曾表示他們已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)，但還沒有公布任何相關(guān)產(chǎn)品，可是別忘了他們是英特爾。在低端市場上，Matrox已經(jīng)宣布下一代GPU模塊將采用AMD的3D堆疊工藝。如果想上頭條，就得追趕潮流。

也有一些其他的設(shè)計(jì)采用了3D封裝工藝。它們的共同特征是定位高端市場，這樣，盡管3D封裝仍然昂貴，但它具有較高的性能/帶寬比，有需求的高端市場可以承受這種成本。我不知道美光HMC的成本，但他們承認(rèn)，比起購買相同數(shù)量的普通DRAM要大得多。但HMC性能是如此得高，所以如果你正在建設(shè)高端服務(wù)器或路由器，使用 HMC仍然是值得的。

近年來，SoC的最大推動(dòng)力是移動(dòng)設(shè)備，但移動(dòng)設(shè)備對成本實(shí)在太敏感。高通曾經(jīng)說過，內(nèi)插器的成本太高了，而現(xiàn)在移動(dòng)市場所有的增長都是來自低端市場，別指望3D封裝會(huì)很快出現(xiàn)在移動(dòng)應(yīng)用中。

對于真正的大芯片，采用2.5D封裝工藝可以節(jié)省更多。幾年前我在一個(gè)3D封裝工作間里觀看eSlilicon在賽靈思的器件上運(yùn)行成本模型，他們在4 個(gè)小芯片上做了一個(gè)2.5D封裝的內(nèi)插器，模型計(jì)算的結(jié)果是，與在一個(gè)不成熟的工藝上采用最大尺寸的模具相比，2.5D封裝可以節(jié)省80%的成本。

2015年是一個(gè)3D封裝年，這次，3D封裝如約而至。是的，雖然現(xiàn)在還只能在高端設(shè)備中看到它，但隨著產(chǎn)品逐漸上量和它在產(chǎn)業(yè)鏈中的滲透，慢慢地，3D封裝工藝會(huì)逐漸成熟并變得更加經(jīng)濟(jì)。目前似乎沒有任何重大的技術(shù)問題（我們知道如何構(gòu)建TSV，當(dāng)然這個(gè)過程會(huì)變得更好更合理；我們知道如何裝配和脫粘背襯材料，這樣，當(dāng)我們將模具變薄時(shí)會(huì)更加可控；不同的熱膨脹造成的應(yīng)力問題似乎也可以得到很好的管理）。所以，真正的大問題似乎是進(jìn)行上量試產(chǎn)，并決定在哪個(gè)器件中使用它。

二 3D封裝的未來發(fā)展趨勢

2016年8月，在美國加利福尼亞州圣克拉拉舉辦的閃存峰會(huì)上，三星公司宣布關(guān)于立體堆疊3D閃存V-NAND已經(jīng)實(shí)現(xiàn)64層晶粒堆疊，存儲(chǔ)密度再創(chuàng)新高，超過了剛經(jīng)過測評(píng)的Portable SSD T3中的48層V-NAND立體堆疊。在此之前，今年上半年，我國武漢新芯集成電路制造有限公司獲得國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金及其他公240億美元的投資，著力于3D-NAND的研發(fā)與生產(chǎn)，據(jù)稱其實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了32層晶粒堆疊封裝。由此，3D封裝技術(shù)在全球掀起的熱潮可見一斑，業(yè)內(nèi)人士更是將其視為我國集成電路半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車的重要機(jī)遇【2】。

集成電路封裝是集成電路技術(shù)領(lǐng)域的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，近年來計(jì)算機(jī)、通信相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對集成電路封裝技術(shù)提出了更高的要求，即更小、更薄、更輕、更可靠、多功能、低功耗和低成本。在二維組裝密度已經(jīng)達(dá)到理論最大值的情況下，更高密度的三維立體堆疊封裝技術(shù)（3D封裝）開始發(fā)展起來。本文的分析數(shù)據(jù)來自中國專利數(shù)據(jù)庫（CPRSABS），截至2015年12月31日，3D封裝技術(shù)領(lǐng)域涉及的中國專利申請共有4316件。

國內(nèi)申請人研發(fā)熱情高漲

3D封裝是在2D-MCM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高級(jí)多芯片組件技術(shù)，采用三維（x、y、z方向）結(jié)構(gòu)形式對IC芯片進(jìn)行三維集成的技術(shù)。3D封裝與常規(guī)的晶圓級(jí)封裝（WLP）、芯片級(jí)封裝（CSP）等電子封裝技術(shù)相比，由于取代了單芯片封裝，因而封裝尺寸和重量顯著減小。此外，3D封裝還有利于降低噪聲，提高電子系統(tǒng)的整體性能及可靠性等。

進(jìn)入上世紀(jì)90年代，3D封裝技術(shù)領(lǐng)域開始出現(xiàn)少量專利申請，2003年以后，申請量開始大幅增加，達(dá)到每年100余件。近5年，專利申請量更是快速增長，2011年申請量為434件，2012年一躍達(dá)到666件，2013年達(dá)到711件。2014年和2015年申請量有所下降，但這主要是由于專利公開期限導(dǎo)致的滯后性，并不能反映2014年至2015年的實(shí)際申請量。由此可見，3D封裝技術(shù)備受關(guān)注，各國申請人在該領(lǐng)域都具有較高的研發(fā)熱情，同時(shí)，申請量的大幅提高，也說明各國申請人對3D封裝技術(shù)在我國的市場前景抱有很高的期望。

通過分析3D封裝領(lǐng)域申請人的分布情況，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)申請人的申請量達(dá)到2301件，占總申請量的一半以上，國內(nèi)申請人對此領(lǐng)域非常重視。筆者分析國內(nèi)申請人的申請趨勢發(fā)現(xiàn)，2011年申請量為206件，2012年申請量為405件，2013年申請量為529件，占當(dāng)年申請總量的比例分別為47.4%，60.8%和74.4%，在申請總量中的比例大幅增加?？梢哉f，國內(nèi)申請人在申請量方面相對國外來華申請人占據(jù)了較大優(yōu)勢，對封裝技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)趨勢把握準(zhǔn)確，在此領(lǐng)域投入了相當(dāng)大的研發(fā)力量。

通過研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)申請人提交的專利申請量雖然占優(yōu)，但是申請人研發(fā)力量分散，企業(yè)申請量占近75%，其他為科研院所、個(gè)人申請等。我國申請量較為突出的是江蘇長電科技股份有限公司，申請量為63件；武漢新芯集成電路制造有限公司的專利申請量為38件。國外來華申請人則以企業(yè)為主，占全部國外來華申請人數(shù)量的94%以上。國外申請人中，三星公司申請量最多，達(dá)到137件，其余申請量較為突出的為海力士、IBM、精工、東芝、松下等，主要申請人集中在韓國和日本。

國外申請人技術(shù)優(yōu)勢明顯

經(jīng)歷40多年的發(fā)展后，封裝技術(shù)已經(jīng)有了很大變化，類型多達(dá)幾十種?？傮w來說，封裝技術(shù)發(fā)展可以分為三代：第一代是在20世紀(jì)70至80年代，包括單列直插封裝（SIP）、無引線四邊扁平封裝（PQFN）等；第二代是在20世紀(jì)90年代后，主要封裝類型有焊球陣列封裝（BGA）、陣列引腳封裝（PGA）、柵格陣列封裝（LGA）等；而3D封裝與系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、多芯片組件（MCM）技術(shù)等都屬于第三代封裝技術(shù)【3】。

值得注意的是，國內(nèi)申請人提交的專利申請涉及的技術(shù)比較分散，尚未形成規(guī)模優(yōu)勢。以申請量最多的江蘇長電科技股份有限公司為例，該公司在封裝領(lǐng)域的申請量有近千件，但涉及3D封裝技術(shù)的專利申請量所占比例還較小。而美、日、韓等國，在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域具備技術(shù)優(yōu)勢，尤其日、韓兩國，封裝制造業(yè)發(fā)達(dá)，并且一直引領(lǐng)封裝技術(shù)發(fā)展趨勢。如日本電氣、三星公司和海力士，在三代封裝技術(shù)上的申請量幾乎平分秋色，而申請量非常突出的三星公司和海力士近年來在封裝技術(shù)領(lǐng)域的申請重點(diǎn)一直都是3D封裝技術(shù)。

綜上所述，3D封裝技術(shù)發(fā)展迅猛，國內(nèi)外申請人在該領(lǐng)域都投入了較多的研發(fā)力量。國外申請人，尤其是三星公司、海力士等業(yè)界巨頭，對新興技術(shù)研究深入，技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)清晰，仍然保持明顯的技術(shù)優(yōu)勢。國內(nèi)申請人在3D封裝技術(shù)研發(fā)方面也表現(xiàn)了相當(dāng)高的熱情，近年來申請總量也有明顯增加，但是研究的深入程度相對于行業(yè)領(lǐng)先者尚有差距。

三 總結(jié)

通過對3D封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢的分析，我們了解了什么是3D封裝技術(shù)以及它的應(yīng)用。通過分析，我們了解到3D封裝技術(shù)的未來前景是很光明的，我國應(yīng)該大力扶持3D封裝技術(shù)的發(fā)展。endprint