十月_先進封裝設備材料專題｜2.5D/3D 封裝之重要性與關鍵的製程點(上)

發佈於: 2024/11/12|分類: 科技(Technology)|

2.5D/3D封裝為何由晶圓廠為生產主力且為何重要？

1958年在這世界上誕生了第一顆積體電路後，晶片的效能都仰賴電晶體微縮而提升。然而隨著元件的尺寸逼近物理極限，製程節點逐漸成為商業行銷名詞。利用先進製程讓元件微縮已經不能帶來成本的降低，反而因為微縮的困難而使成本大幅增加。在電晶體密數量與晶片效能需求仍然持續上升的情況下，先進封裝技術成為一重要的解決方案。其中先進封裝技術將晶片架構轉向更多晶片的水平與垂直堆疊組合，這成為延續摩爾定律的必要技術。

傳統的封裝為平面式的打線封裝(Wire bonding)與

覆晶封裝(Flip Chip)，隨著晶片技術的發展，封裝技術不斷革新且互連密度不斷提高。其先進封裝是在晶片上系統前的傳統積體電路封裝成型前對晶片進行聚合和互連，與傳統的積體電路封裝不同，先進封裝通常會是在積體電路製程後和傳統封裝成型之前，用製程術語來說，先進封裝是介於晶片製程的BEoL和傳統封裝成型之間(業界亦稱Far BEoL)。由於介於中間且需要更細的線寬展延或互連，因此所使用的製程設備類型與精度相對接近原積體電路製造公司(晶圓廠)，如台積電、英特爾等，加上對於晶片商，如蘋果、輝達、聯發科等而言，由晶圓廠發展先進封裝技術會比原傳統封裝公司(OSAT)，如日月光等更有成本優勢。其中成本優勢是一非常值得重視的關鍵，首先若撇除摩爾定律，提高計算能力使用縮小節點的方式會讓成本成指數型成長（如圖一），如相較於45nm節點製造的12吋晶片，若是採用16nm後，每平方毫米的成本將會增加一倍以上、而採用5nm技術後，成本將會增加4~5倍。在這種情況下採用異質整合搭配先進封裝，將會達到較高成本效益的效果。由於線寬不斷微縮，先進封裝需要更好的精度因此使用積體電路製造的機台設備，像是光刻、蝕刻、沉積等，因此對於原積體電路製造商(晶圓廠)而言成本控制可以達到很好的效果。最後若以同樣的封裝良率做計算，由晶圓廠來負責先進封裝，其生產成本將會遠低於由OSAT公司生產的(雙方取得SoC晶片的成本不同)。且這種無縫整合的方式可以大幅縮短製造週期提升效率。因此目前主要先進封裝技術都掌握在積體電路製造公司手上。

圖一、晶片成本隨著技術節點微縮而增長

資料來源：華安證券研究所

先進封裝技術通常會是異質整合的，其中包括 3D IC、2.5D IC、扇出晶圓級封裝/面板級(如九月專題)、系統級封裝、絎縫封裝等。由於目前AI/高算(HPC)需求以2.5D/3D IC為主，近兩年將會是以此解決方案為主流，因此我們聚焦於此。2.5D/3D IC主要是將晶片猶如積木一般向外與向上堆疊並封裝成型，使晶片節省能耗與成本，還能夠提升計算效率。在技術概念上 2.5D 與 3D 封裝技術則是差別在堆疊方式，如下圖二。2.5D 封裝是指將晶片堆疊於中介層之上或透過矽橋連結晶片，以水平堆疊的方式，主要應用於拼接邏輯運算晶片和高頻寬記憶體；3D 封裝則是垂直堆疊晶片的技術，主要面向高效能邏輯晶片、SoC 製造。以台積電為例，2.5D技術發表約10年，但由於過往該技術較昂貴較少被提及，反而是成本相對低的InFO封裝較受關注。近年來，2.5D/3D憑藉著其極高的封裝密度和能源效率的優勢，作為最理想的晶片整合平台並獲得了發展勢頭。

圖二 2.5D與3D封裝示意圖