八月_半導體專題｜先進封裝技術在高性能運算晶片應用狀況剖析(中)
根據IEEE發布的異質整合技術發展藍圖報告指出，短期高性能計算晶片係以大面積中介層、嵌入式橋接載板、小孔徑比矽通孔、面對面晶片堆疊、混和鍵合等技術鏈結其他晶片，說明如下:
- 大面積中介層:是目前高性能計算晶片採用之5D封裝主流技術，通常透過中介層連結四顆高頻寬記憶體(HBM)，隨著晶片性能不斷提升，將需要更大尺寸的中介層以容納八顆高頻寬記憶體。
- 嵌入式橋接層:是在載板中嵌入以矽或玻璃製作的橋接層，並透過兩側Pillar分別和晶片與載板鍵合以取代矽中介層。目前採用者有Intel的EMIB與日月光的FOCos-Bridge技術[詳細討論如前面文章：Chiplet 引發半導體革命技術 ]。當置入精度大幅提升後，預期載板可以嵌入多片橋接層以作為傳統5D封裝的替代方案。
- 小孔徑矽通孔:目前矽中介層的矽通孔之深寬尺寸通常為100μm:10μm，堆疊的DRAM與邏輯晶片用矽通孔之深寬尺寸則分別是50μm:6μm、50μm:5μm，當3D封裝技術大量導入後，矽通孔須持續縮小以提升I/O點密度，目前已開發出直徑為1μm的矽通孔技術，但預估深寬比仍會維持10:1。
- 面對面晶片堆疊:目前頂部與底部晶片主要透過錫鉛製的Micro Bump鍵合，然而為提升I/O點密度，如Intel 的Foveros-Direct技術改用尺寸更小且更低電阻之銅製Pillar，可縮小接點間距至10μm。
- 混合鍵合:是將兩側晶片的金屬與氧化物混和介面直接貼合後以高溫讓金屬擴散鍵合。因為製程主要採用晶片製造設備，可減少接點間距至次微米等級，被視為實現真正3D封裝的關鍵技術。已廣泛用於CMOS影像感測器與邏輯晶片、記憶體鍵合，正導入高性能計算晶片封裝，如台積電的SoIC技術。
此外，該報告認為高性能計算晶片用先進封裝的中長期技術發展方向包括超細間距載板、無線晶片通信、矽光子解決方案，說明如下 :
- 超細間距載板:為了取代價格較高的矽中介層，多家供應商正在開發線寬與線距為1~2μm的載板，然而受限於製程難度高且可靠度達標不易，目前仍無法量產。若能突破前述困難而量產，生產成本將成為能否大量導入的關鍵。
- 無線晶片通信:利用晶片I/O點間電感耦合有潛力取代晶片間連接用矽通孔，以降低中介層或載板的佈線複雜度。然而需要針對如基板電阻率、晶片厚度等參數對電感耦合效應及各種工作頻率下對 I/O點訊號質量之影響進行深入研究，以確保其實施之可行性與穩定度。
- 矽光子解決方案:一般光電模組包含光接收器、放大器、調變器等元件，以往是放在電路板上，矽光子技術則整合到矽晶片上。目前封測廠正在發展的共封裝光學模組(Co-Packaged Optics；CPO)技術主要將電子和光子積體電路封裝在單一載板上以減少傳輸耗損及訊號延遲。
如前所述，先進封裝技術藍圖之推進處在於縮減線寬與線距、鍵合點間距，所以微影與鍵合為其關鍵設備。根據市場研究機構Yole Développement發布報告指出，2020年全球先進封裝用微影與鍵合設備市場規模為17億美元，預估2027年成長至28億美元，年平均複合成長率達8%，如圖4所示，個別設備說明如下:
- 先進封裝用微影設備:全球市場規模將從2020年的13億美元增長至2027年的19億美元，年平均複合成長率達5%。主要供應商有EVG、SUSS、Canon、Nikon、ASML、Veeco、ONTO、Hakuto、USHIO、ORC、Kulicke & Soffa、Orbotech、ORC、SCREEN、ADtech、SMEE、Heidelberg Instrument。
- 永久鍵合設備:全球市場規模將從2020年的61億美元增長至2027年的5.07億美元，年平均複合成長率達16%。主要供應商有EVG、SUSS、Canon、TEL、Nidec、AML、SMEE、Bondtech、Ayumi。
- 暫時鍵合設備:全球市場規模將從2020年的13億美元增長至2027年的1.76億美元，年平均複合成長率達7%。主要供應商有EVG、SUSS、TEL、SMEE、Tazmo、TOK、Takatori、EO Technics、ERS Electronic。
圖4、2020~2027年先進封裝用關鍵設備市場規模變化
資料來源 : Yole Développement
根據國際半導體產業協會(SEMI)與市場研究機構TECHCET共同發表的「全球半導體封裝材料市場展望」報告指出，受惠於先進封裝技術強勁需求，預期帶動全球半導體封裝材料市場規模自2022年261億美元擴增至2027年的298億美元，年平均複合成長約2.7%，其中約60%來自於載板。台灣電路板協會的統計資料指出，2022年台灣是全球最大的載板產地，產值占比達38.3%、其次為韓國與日本，三地廠商總計囊括九成的市場。全球前五大供應商為欣興、南亞電子、Ibiden、SEMCO、Shinko，市占率分別為17.7%、10.3%、9.7%、9.1%、8.5%。
