近年來，關于臺積電先進封裝的報道越來越多，在這篇文章里，我們基于臺積電 Douglas Yu 早前的一個題為《TSMC packaging technologies for chiplets and 3D》的演講，給大家提供關于這家晶圓廠巨頭在封裝方面的的全面解讀。為了讀者易于理解，在演講內容的基礎上做了部分補充。

　　本文首先從 Douglas Yu 演講目錄開始，然后是各項詳細的內容。首先，簡單地敘述半導體產業迎來了轉折點，然后進入本論部分，即 TSMC 的最先進的封裝技術。具體如下，被稱為 "3D Fabric" 的 2.5/3D 的集成化技術、System scale up 和封裝內部的互相連接的 scale down。

　　其次，再進入第二項本論一一集成不同類型元件的新封裝技術。具體而言，解釋最先進的放熱技術、硅光電子(Silicon Photonics)的集成化技術。文章的最后為匯總部分。

　　Front-end 和 Back-end 的 3D 封裝

　　被 TSMC 稱為 "3D Fabric" 的 2.5/3D 集成化技術由 Front-end(FE 3D) 和 Back-end(BE 3D)兩處工程構成。Front-end(FE 3D)是一種堆疊硅芯片(Silicon Die)后并相互連接的工藝技術。有多種分類，如將采用不同代際技術生產的硅芯片(Silicon Die)連接起來的技術、把硅芯片(Silicon Die)與其他材質的 Die 搭載于同一塊基板上的技術等。

　　Back-end(BE 3D)是一種高密度地把多個硅芯片(Silicon Die)連接起來的同時，再與封裝基板連接的技術。之前，TSMC 開發了用于智能手機的封裝技術 "InFO(Integrated Fan-Out，集成扇出型)" 和用于高性能計算機的封裝技術 "CoWoS(Chip on Wafer on Substrate，晶圓級封裝)"。二者都具有豐富的量產實績。

　　TSMC 研發的最先進的封裝技術一一 "3D Fabric" 的概要。左邊為 Front-end(SoIC)，右邊為 Back-end(InFO 和 CoWoS)。出自 TSMC"Hot Chips 33 的演講 "。(圖片出自：eetimes.jp)

　　Front-end 的 SoIC 有兩種技術，其一為 "CoW(Chip on Wafer)"，即一種在硅晶圓(Silicon Wafer)上堆疊芯片(Die)的技術;其二為 "WoW(Wafer on Wafer)"，即一種將多片芯片(Silicon Wafer)堆疊起來的技術。此處需要注意的是，SoIC 并不是一種將電氣信號和電源系統等與外部(封裝外部)連接的技術。通過與 Back-end 的 3D Fabric 或者傳統的封裝技術相結合，來實現半導體封裝。

　　就 Back-end 的 "InFO(Integrated Fan-Out，集成扇出型)" 而言，它利用線路重布層(RDL：Redistribution Layer，一種將硅芯片(Silicon Die)的輸入 / 輸出電極引到外部的排線層)和外部電極(焊錫 Bump)實現高集成度的封裝技術(InFO 的概要將會在后續文章種進行介紹)。此外，還存在一種被稱為 "LSI(Local Silicon Interconnect)" 的技術，即高密度地連接相鄰芯片的技術。

　　"CoWoS(Chip on Wafer on Substrate，晶圓級封裝)" 是一種密集地放置硅芯片(Silicon Die)的高集成度封裝技術。即在可形成精細的排線和電極的 " 中間基板(Interpoer)" 上密集地放置多個硅芯片(Silicon Die)(CoWoS 技術將會在后續文章中詳細敘述)。" 中間基板(Interpoer)" 有硅和 RDL 兩種選擇項。

　　多個裸片（Die）連接技術

　　如上文所述，"3D Fabric" 由 Front-end(FE 3D)和 Back-end(BE 3D)兩種技術構成。Front-end(FE 3D)中有一種被稱為 "SoIC(System on Integrated Chips)" 的、堆疊連接硅芯片(Silicon Die)的技術，這是一種可以支持 " 小芯片化 " 的技術。" 小芯片化 " 指的是有意地將單顆芯片(Single Die)的系統 LSI(SoC：System on a Chip)分割為多個芯片(Chiplet)的技術。這項技術最近才開始量產。

　　Back-end 3D(BE 3D)有兩種將多個硅芯片(Silicon Die)高密度相互連接的技術。其一，用于智能手機的 "InFO(Integrated Fan-Out，集成扇出型)";其二，用于高性能計算機(HPC)的 "CoWoS(Chip on Wafer on Substrate，晶圓級封裝)"。二者都已擁有豐富的量產實績。

　　構成 "3D Fabric" 的 Front-end 3D(左側)和 Back-end 3D(右側)

　　Front-end 3D 的 SoIC 大致分為兩類。其一，利用多個制造代際技術迥異的小芯片(Silicon Die，Mini-die)來完成一個系統(相當于以往的 System LSI)，即 Chiplet 結構。可連接的 " 小芯片(Mini-die)" 有各式各樣，如利用最先進的工藝技術生產的 N 代際 Mini-die、N-1 代際的 Mini-die、以及 N-2 代際的 Mini-die 等等。

　　其二，利用工藝技術迥異的多個硅芯片(Silicon Die)組成一個模組(Module)，即異構結構(Heterogeneous)。比方說，將利用邏輯半導體工藝生產的硅芯片(Silicon Die)和利用存儲半導體工藝技術生產的硅芯片(Silicon Die)組合起來。

　　從 "CMOS" 轉為 "CSYS"

　　就以往的半導體研發技術而言，技術每進步一個代際，單個硅芯片(Silicon Die，或者稱為 Single Chip)上搭載的晶體管數量大約增加兩倍。反過來看，每代技術下，集成同樣數量的晶體管所需要的硅面積卻減少一半。其實現的前提如下，即盡可能地將更多的線路埋入 CMOS 的單個芯片(Sigle Die)里，即所謂的 " 單芯片(Monolithic)集成的最大化 "。

　　但是，就當下最先進的 7 納米、5 納米代際的 CMOS 生產而言，將利用不同代際技術生產的多個芯片(Die)組合起來、構成一個系統的做法正在成為最佳解決方案。TSMC 把這項解決方案稱為 "CSYS(Complementary Systems, SoCs and Chiplets integration"。

　　從 CMOS 到 "CSYS(Complementary Systems, SoCs and Chiplets integration)"

　　組成一個系統的半導體技術事例。

　　(a)是傳統的系統 LSI(SoC)，在單顆芯片(Sigle Die)上實現最大規模的線路。

　　(b)為在邏輯芯片(Logic Die)上堆疊邏輯芯片(Logic Die)(或者存儲芯片)的事例(SoIC)。

　　(c)為水平放置邏輯芯片(Logic Die)(或者存儲芯片)的事例。

　　(d)為在(c)的基礎上，堆疊傳感器芯片(Sensor Die)、高電壓線路(HV)、邏輯芯片(Logic Die)(或者存儲芯片)的 SoIC 事例。

　　以往，人們不會把采用不同工藝生產的硅芯片(Silicon Die)匯集在一起，而是把采用相同工藝技術生產的硅芯片(Silicon Die)封裝在一起，且人們認為這有利于降低整體的成本。但是，就 7 納米、5 納米等尖端的技術工藝而言，邏輯半導體的微縮化使成本不斷增加，同時，難以實現微縮化的線路區塊(Block)越來越多。

　　于是，微縮化的優勢僅存在于大型的線路區塊(Block)中，而采用尖端工藝變得越來越普遍。相反，將多個芯片(Die)以 2.5/3D 的形式連接起來的集成技術(即先進封裝技術)的比重越來越大。更準確地說，要實現先進系統的研發，先進的封裝技術是極其重要的。

　　用于智能手機的 "InFO" 的發展

　　以下開始介紹 TSMC 研發的先進封裝技術的最新發展方向。

　　TSMC 的先進封裝技術始于用于高性能計算的 "CoWoS(Chip on Wafer on Substrate，晶圓級封裝)" 和用于智能手機的 "InFO(CoWoS(Chip on Wafer on Substrate，集成扇出型)"。"CoWoS" 在 2012 年前后開始被采用，已經有十年的量產實績。InFO 因在 2016 年被用于 "iPhone 7" 的 "A10" 處理器，而被人們熟知。

　　TSMC 的最先進的封裝技術和其發展。橫軸為時間、縱軸為相互連接的密度、封裝的大小

　　CoWoS 和 InFO 已經具有十年以上的研發歷史，至此已經派生出多種產品。此外，最近由于 SoIC(System on Integrated Chips)研發的進步，將 SoIC 與 CoWoS 或者 InFO 結合的 3D 封裝開始 " 登場 "。

　　接下來，我們來看看 InFO 的 " 衍生品 "。就最初的 InFO 而言，其標準是，在被稱為 "InFO PoP(Package on Package)" 的 InFO 上搭載低功耗版本的 DRAM(封裝產品)。主要用途為智能手機的應用處理器(AP)。將 AP 封裝于 InFO 上，并搭載 DRAM，一個小而薄的模組就誕生了。

　　InFO PoP、InFO_B、FCCSP 的概圖。在下面的表格中比較了 InFO_B 和 FCCSP(二者的外形尺寸都是 14mm 見方)

　　最近，又研發了一項名為 "InFO_B(Bottom Only)" 的技術，即可由 TSMC 以外的其他企業搭載 DRAM。與 FCCSP 相比，可以獲得更高的性能。在外形尺寸同樣為 14mm 見方的情況下，比較 InFO_B 和 FCCSP 后發現，InFO_B 的優勢如下：有效控制電源電壓下降、可容納更大尺寸的芯片(Die)、可容納更厚的芯片(Die)。

　　對 InFO 的另一個重要的研發是，針對高性能計算機(HPC)的改良，這一點我們將在下文中詳細敘述。

　　"InFO" 技術在 HPC 的應用

　　TSMC 研發了用于高性能計算機(HPC)的 "CoWoS"，且已有十年以上的量產實績。CoWoS 雖然是一種可應用于高速、高頻信號的優秀封裝技術，但它有一個致命的弱點。由于 " 中間基板(Interposer)" 采用的是大型的硅基板，因此生產成本極高。

　　InFO 作為一種用于智能手機的封裝技術，不需要封裝基板。因此，生產成本較低。于是，基于 "InFO"，在搭載多個芯片(Multi-die，或者 Chiplet)的前提下，通過增加封裝基板，試圖應用于 HPC，即 "InFO_oS"，也可以看做是 CoWoS 的廉價版。

　　"InFO_oS" 的研發事例(可看做是首代產品)，左上為從上面看的封裝圖。將兩顆硅芯片(Silicon Die，Chiplet)組合起來的 Net-work-switch。左下為斷面圖。右側為 Net-work-switch 的整體圖像

　　"InFO_oS" 的概要和結構圖，利用 RDL(線路重布層 , Redistribution Layer)將多個硅芯片(Silicon Die)和基板相連接。RDL 的排線的線寬線距極細，為 2/2um。RDL 的層數為五層。基板和 RDL 之間通過 130um 間距(Pitch)的銅(Cu)凸點(Bump)連接

　　InFO_oS 的首代產品于 2018 年開始量產。RDL 的面積最大可達 Reticle 的 1.5 倍(1,287 平方毫米左右)。被看做是 Net-work-switch 模組。第二代產品為搭載了 10 顆 Chiplet 的模組。結構如下：兩顆邏輯 Mini-die，8 顆用于輸入 / 輸出(IO)的 Mini-die。RDL 部分的面積為 Reticle 的 2.5 倍(51mm × 42mm)。基板的大小為 110mm 見方。預計在 2021 年內量產第二代產品。

　　"InFO_oS(用于 Net-work-switch 的模組)" 的研發技術藍圖。橫軸為 Net-work-switch 的性能，縱軸為模組的大小和功耗

　　介紹兩種改良的 InFO 封裝

　　本文開始介紹兩種改良了 "InFO" 技術的封裝方式，都是應用于高性能計算機的。其一，堆疊兩個 "InFO"，即 "InFO_SoIS(System on Integrated Substrate)";其二，在模組(尺寸和晶圓大小相近)上橫向排列多個硅芯片(Silicon Die，或者 Chip)，再通過 "InFO" 結構，使芯片和輸入 / 輸出端子相互連接，即 "InFO_SoW(System on Wafer)"。

　　用于超高性能計算機的 "InFO" 的改良技術，左側為支持超高波段(毫米波)的 "InFO_SoIS(System on Integrated Substrate)" 的斷面圖，右側為在大小近似于晶圓的模組上排列多個芯片(Die)的 "InFO_SoW(System on Wafer)" 的封裝事例(概念圖)。

　　首先，我們介紹一下堆疊了兩個 "InFO" 的 "InFO_SoIS(System on Integrated Substrate)" 的技術概要。在演講幻燈片中展示的 "InFO_SoIS" 封裝中展示了如下結構。首先，在 RDL(線路重布層，Redistribution Layer)上放置 SoC(System on a Chip)芯片和 I/O 芯片，通過 RDL 將信號線和電源線引到下面。這種結構被稱為 "InFO 1"。被引到下面的信號線和電源線經由微型凸塊(Micro Bump)與具有多層排線結構的樹脂基板(RDL)相連接。在多層樹脂基板的底部廣泛分布著將信號線和電源線引出的凸塊(Bump)，且凸塊的間距(Pitch)比 InFO 1 更寬。這種結構被稱為 "InFO 2"。此外，樹脂基板的四周還設計有防止翹曲的 " 加強環(Stiffener Ring)"。

　　"InFO_SoIS" 的構造圖(左)、試做事例(右)。出自 TSMC"Hot Chips 33 演講

　　試做的 "InFO_SoIS" 封裝品將一個 SoC、四個 I/O 芯片容納于 InFO 1 中，下部由 InFO 2 支撐。尺寸為 91 毫米見方。硅芯片(Silicon Die)全部為良品，封裝、組裝的良率超過 95%。此外，100 毫米見方的 "InFO_SoIS" 的封裝良率達到了 100%。

　　且對試做的 "InFO_SoIS" 封裝品和傳統的樹脂基板(GL102)在毫米波帶中的損耗進行了比較。在 28GHz 情況下，插入損耗(溫度 25 度一一 125 度)減少了約 25%，在 50GHz 下，減少了約 30%。

　　"InFO_SoIS" 在毫米波帶上的插入損失，并與傳統的樹脂基板(GL102)進行比較。左下的表格為 28GHz 和 50GHz 的相對值(把傳統基板視為單位 "1")，右下方的圖表為插入損失的周波特性

　　InFO 實現了晶圓級超大處理器

　　上文中，我們介紹了支持毫米波信號的 "InFO_SoIS" 的概要，下面我們介紹晶圓級(Wafer Scale)的超大型封裝技術一一 "InFO_SoW" 的概要。"InFO_SoW" 技術被 AI 初創公司 Cerebras Systems 研發的晶圓級深度學習處理器 "WSE(Wafer Scale Engine)" 采用。WSE 的芯片尺寸極大，為 215 毫米見方，與直徑為 300 毫米的硅晶圓相匹配。

　　"InFO_SoW" 技術的特點如下，將大規模系統(由大量的硅芯片組成)集成于直徑為 300 毫米左右的圓板狀模組(晶圓狀的模組)上。通過采用 InFO 技術，與傳統的模組相比較，可以獲得更小型、更高密度的系統。

　　"InFO_SoW" 技術的特點(上)、結構(左下)、研發事例(右下)

　　模組的構成如下：晶圓狀的放熱模組(Plate)、硅芯片(Silicon Die)群、InFO RDL、電源模組、連接器等。硅芯片群的相互連接、硅芯片群和電源模組以及連接器之間的連接都借由 RDL 完成。

　　比較利用倒裝芯片(Flip Chip)技術的 Multi-chip-module(MCM)和 "InFO_SoW"

　　演講中，還比較了采用倒裝芯片(Flip Chip)技術的 Multi-chip-module(MCM)和 "InFO_SoW"。與 MCM 相比，相互連接的排線寬度、間隔縮短了二分之一，排線密度提高了兩倍。此外，單位面積的數據傳輸速度也提高了兩倍。電源供給網絡(PDN)的阻抗(Impedance)明顯低于 MCM，僅為 MCM 的 3%。

　　CoWoS：十年五代的封裝技術

　　如上文所述，TSMC 根據中間基板(Interpoer)的不同，把 "CoWoS" 分為三種類型。第一，把硅(Si)基板當做中間基板，即 CoWoS_S(Silicon Interposer)，這就是在 2011 年研發的最初的 "CoWoS" 技術，與過去的 "CoWoS" 相比，它的先進之處在于，它是一種把硅基板當做中間基板的先進封裝技術。

　　第二為 "CoWoS_R(RDL Interposer)"，即把 RDL(線路重布層，Redistribution Layer)當做中間基板。第三為 "CoWoS_L(Local Silicon Interconnect and RDL Interposer)"，即把小型的硅芯片 ( Silicon Die ) 和 RDL 當做中間基板。但是，需要讀者留意的是，TSMC 把 "Local Silicon Interconnect" 縮寫為 "LSI"。

　　"CoWoS_S(原來的 CoWoS)" 的斷面結構圖。即 2.5D 封裝的代表事例。通過在作為中間基板(Interposer)的硅基板上形成高密度排線、硅通孔(TSV)，不僅可以高密度地放置硅芯片(Silicon Die)，還可以高速傳輸信號

　　"CoWoS_S(原來的 CoWoS)" 是在 2011 年開發的，且被稱為 " 第一代(Gen-1)"。被 Xilinx 的高端 FPGA 等產品采用。硅制中間基板的最大尺寸為 775 平方毫米(25mmx31mm)。幾乎接近于一張 Reticle 的曝光尺寸(26mm × 33mm，ArF 液浸式掃描情況下)。即，FPGA 芯片(Die)的生產技術為 28 納米的 CMOS 工藝。就采用了此款技術的 Xilinx 的高端 FPGA"7V2000T" 而言，將四顆 FPGA 邏輯芯片搭載于 "CoWoS_S" 上。

　　就 2014 年研發的第二代 "CoWoS_S" 而言，硅制中間基板的尺寸擴大到了 1,150 平方毫米。接近于 1.5 張 Reticle 的曝光面積(1,287 平方毫米)。在 2015 年，被 Xilinx 的高端 FPGA"XCVU440" 采用。搭載了三顆 FPGA 的邏輯芯片。FPGA 芯片的制造技術為 20 納米的 CMOS 工藝。

　　就 2016 年研發的第三代 "CoWoS_S" 而言，雖然硅制中間基板的尺寸沒有什么變化，但是首次混合搭載了高速 DRAM 模組(HBM)、邏輯芯片。在 2016 年，被 NVIDIA 的高端 GPU(GP100)采用。混合搭載了 GPU 芯片和 "HBM2"。"HBM2" 為硅芯片(Silicon Die)壓層模組(通過 TSV 將四顆 DRAM 芯片和一顆 Base Die(位于最下層)連接起來)，"GP100" 上搭載了四顆 HBM2 模組。將容量為 16GB(128GBit)的 DRAM 和 GPU 高速連接。

　　就 2019 年研發的第四代 "CoWoS_S" 而言，硅制中間基板的尺寸擴大至相當于兩張 Reticle 的曝光面積。幾乎達到了 1,700 平方毫米。這款大型的中間基板上混合搭載了大規模的邏輯芯片和六個 HBM2。單個 HBM2 的存儲容量增加到了 8GB(64GBit)，因此合為計 48GB(384 GBit)，容量是第三代的三倍。

　　"CoWoS_S(原來的 CoWoS)" 的發展歷程。從 2011 年的第一代到 2021 年的第五代，一直在改良

　　如上所述，原本中間基板的尺寸就很大，如今愈來愈大。第一代的面積為 775mm2(相當于一張 Reticle)，第二代和第三代的面積相當于 1.5 張 Reticle，分別為 1,150mm2、1,170mm2。第四代面積進一步增大，相當于兩張 Reticle，為 1,700mm2。

　　最初搭載在中間基板上的硅芯片(Silicon Die)為多個邏輯芯片(Logic Die)，第三代以后開始混搭邏輯芯片和存儲芯片。即開始混合搭載邏輯芯片(SoC)、高速 DRAM 模組 "HBM(High Bandwidth Memory)" 的壓層芯片(Die)群。具體而言，一顆 SoC 芯片和四顆 HBM(4Gbit*4 顆，合計為 16Gbit)。就第四代而言，在 SoC 芯片面積(集成程度)擴大的同時，混搭的 HBM 增至六個。通過將單個 HBM 的存儲容量增加兩倍，使 HBM 的總容量較第三代增長了三倍(48Gbit)。

　　就今年(2021 年)第五代(CoWoS_S，原來的 CoWoS)而言，硅制中間基板的面積擴大至 2,500mm2，相當于三張 Reticle，同時，搭載了八個 HBM，這相當于第三代的兩倍。邏輯硅芯片(Logic Silicon Die)還是 Chiplet，兩顆 Mini-die 被放置在 1,200mm2 的區域內。可搭載的 HBM 的規格為 "HBM2E(即 HBM 的第二代強化版)"。

　　就硅制中間基板的 RDL(線路重布層，Redistribution Layer)而言，通過提高銅(Cu)排線的厚度，使方塊電阻(Sheet Resistance)減少了一半(甚至更多)。通過 5 層銅排線使硅芯片(Silicon Die)相連接。此外，為了進一步減少硅通孔 ( Through Silicon Via, TSV ) 的高頻損耗，針對 TSV 進行了再次設計。在 2GHz～14GHz 高頻帶的插入損耗(S21)為 0.1dB(甚至更高)，重新設計后為 0.05dB。此外，通過將 " 嵌入式深溝電容(eDTC，embedded Deep Trench Capacitor)" 裝入硅制中間基板，穩定了電源系統。eDTC 的容量密度為 300nF/mm2。在 100MHz~2GHz 頻帶，電源分布網絡(PDN)的電阻抗(Impedance)減少了 35%(得益于 eDTC)。

　　支持第五代 "CoWoS_S(以往的 CoWoS)" 的技術要素

　　新一代(第六代)的 "CoWoS_S" 預計在 2023 年研發。硅制中間基板的尺寸達到 4 張 Reticle 的尺寸。計算下來為 3,400mm2 左右(約 58.6mm 見方)。邏輯部分搭載兩顆(或者更多)Mini-die，存儲部分搭載了 12 個 HBM。對應的 HBM 的規格為 "HBM3"。

　　"CoWoS_S(以往的 CoWoS)" 的研發產品路線圖(Road Map )