3D封装市场，台积电和英特尔各领风骚

自2018年4月始，台积电已在众多技术论坛或研讨会中揭露创新的SoIC技术，这个被誉为再度狠甩三星在后的秘密武器，究竟是如何厉害？

台积电首度对外界公布创新的系统整合单芯片（SoIC）多芯片3D堆叠技术，是在2018年4月的美国加州圣塔克拉拉（Santa Clara）第二十四届年度技术研讨会上。

随着先进纳米制程已逼近物理极限，摩尔定律发展已难以为继，无法再靠缩小线宽同时满足性能、功耗、面积及讯号传输速度等要求；再加上封装技术难以跟上先进制程的发展进程，因此三星、台积电、英特尔等晶圆代工巨擘纷纷跨足封装领域，要借重先进的封装技术实现更高性能、更低耗电量、更为小体积、讯号传输速度更快的产品。

甚至，在逐步进入后摩尔定律时代后，晶圆代工大厂的发展重心，也逐渐从过去追求更先进纳米制程，转向封装技术的创新。而，SoIC就在这样的前提之下诞生了。

若以台积电于2009年正式进军封装领域估算，SoIC是台积电耗费十年才磨出的宝剑，被誉为可再次把三星狠狠甩在后头、实现3D IC的高阶封装技术。

根据台积电在第二十四届年度技术研讨会中的说明，SoIC是一种创新的多芯片堆叠技术，是一种晶圆对晶圆（Wafer-on-wafer）的键合（Bonding）技术，这是一种3D IC制程技术，可以让台积电具备直接为客户生产3D IC的能力。

图二: 台积SoIC设计架构示意。(source: vlsisymposium.org, 制图:CTIMES)

让外界大感惊艳的是，SoIC技术是采用硅穿孔（TSV）技术，可以达到无凸起的键合结构，可以把很多不同性质的临近芯片整合在一起，而且当中最关键、最神秘之处，就在于接合的材料，号称是价值高达十亿美元的机密材料，因此能直接透过微小的孔隙沟通多层的芯片，达成在相同的体积增加多倍以上的性能，简言之，可以持续维持摩尔定律的优势。

图三: SoIC的微芯片平面图。(source: vlsisymposium.org)

据了解，SoIC是基于台积电的CoWoS（Chip on wafer on Substrate）与多晶圆堆叠（WoW）封装技术开发的新一代创新封装技术，未来将应用于十纳米及以下的先进制程进行晶圆级的键合技术，被视为进一步强化台积电先进纳米制程竞争力的利器。2018年10月，台积电在第三季法说会上，已针对万众瞩目的SoIC技术给出明确量产时间，预期2020年开始挹注台积电的营收贡献，至2021年将会大量生产，挹注台积电更加显著的营收贡献。

六月，台积电赴日本参加VLSI技术及电路研讨会发表技术论文时，也针对SoIC技术揭露论文，论文中表示SoIC解决方案将不同尺寸、制程技术及材料的裸晶堆叠在一起。相较于传统使用微凸块的三维积体电路解决方案，台积电的SoIC的凸块密度与速度高出数倍，同时大幅减少功耗。此外，SoIC能够利用台积电的InFO或CoWoS的后端先进封装至技术来整合其他芯片，打造强大的3D×3D系统级解决方案。

外界咸认，从台积电最初提出的2.5版CoWoS技术，至独吃苹果的武器InFO（整合型扇型封装）技术，下一个称霸晶圆代工产业的，就是SoIC技术。

摊开台积电公布的2019年第一季财报，10纳米及以下纳米制程的营收贡献，已大大超越16纳米制程的营收贡献，凸显出未来十纳米及以下先进制程已势不可当。

也因此，2019年，电子设计自动化（EDA）大厂，如益华电脑（Cadence）、明导国际（Mentor）、ANSYS皆已相继推出支援台积电SoIC的解决方案，并已通过台积电认证，准备迎接SoIC辉煌时代的来临。

英特尔（Intel）在今年的COMPUTEX终于正式宣布，其10纳米的处理器「Ice Lake」开始量产，但是另一个10纳米产品「Lakefiled」却缺席了。

虽然同样使用10纳米制程，但「Lakefiled」是一个更高阶的产品，同时也将是是英特尔首款使用3D封装技术的异质整合处理器。

图四: 英特尔Foveros的堆叠解析图（source: intel）

根据英特尔发布的资料，「Lakefield」处理器，不仅在单一芯片中使用了一个10nm FinFET制程的「Sunny Cove」架构主核心，另外还配置了4个也以10nm FinFET制程生产的「Tremont」架构的小核心。此外，还内建LP-DDR4记忆体控制器、L2和L3快取记忆体，以及一个11代的GPU。

而能够将这么多的处理核心和运算单元打包成一个单芯片，且整体体积仅有12 x 12mm，所仰赖的就是「Foveros」3D封装技术。

图五: 英特尔Foveros的区块与架构原理（source: intel）

在年初的架构日上，英特尔也特别针对「Foveros」技术做说明。英特尔指出，不同于过去的3D芯片堆叠技术，Foveros能做到逻辑芯片对逻辑芯片的直接贴合。

英特尔表示，Foveros的问世，可以为装置与系统带来更高性能、高密度、低功耗的处理芯片技术。Foveros可以超越目前被动中介层（interposers）的芯片堆叠技术，同时首次把记忆体堆叠到如CPU、绘图芯片和AI处理器等，这类高性能逻辑芯片之上。

此外，英特尔也强调，新技术将提供卓越的设计弹性，尤其当开发者想在新的装置外型中，置入不同类型记忆体和I/O元素的混合IP区块。它能将产品分拆成更小的「微芯片（chiplets）」结构，让I/O、SRAM和电源传递电路可以在配建在底层的裸晶上，接着高性能的逻辑微芯片则可进一步堆叠在其上。

英特尔甚至强调，Foveros技术的问世是该公司在3D封装上的一大进展，是继EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）2D封装技术之后的一大突破。

而从英特尔所揭露的技术资料可看出，Foveros本身就是一种3D IC技术，透过硅穿孔（Through-Silicon Via, TSV）技术与微凸块（micro-bumps）搭配，把不同的逻辑芯片堆叠起来。

其架构概念就是在一块基础的运算微芯片（compute chiplet）上，以TSV加上微凸块的方式，堆叠其他的运算晶粒（die）和微芯片（chiplets），例如GPU和记忆体，甚至是RF元件等，最后再把整个结构打包封装。

而英特尔目前所使用的制程已达到10纳米，预计也可以顺利推进至7纳米，也此透过此3D封装技术，将可在单一芯片中达成绝佳的运算效能，并持续推进摩尔定律。

英特尔更特别把此技术称为「脸贴脸（Face-to-Face）」的封装，强调它芯片对芯片封装的特点。而要达成此技术，TSV与微凸块（μbumps）的先进制程技术就是关键，尤其是凸块接点的间距（pitch）仅有约36微米（micron），如何透过优异的打线流程来达成，就非常考验英特尔的生产技术了。

图六: Foveros的TSV与微凸块叠合示意（source: intel）

但是英特尔也指出，Foveros技术仍存在三个挑战，分别为散热、供电、以及良率。由于多芯片的堆叠，势必会大幅加大热源密度；而上下层逻辑芯片的供电性能也会受到挑战；而如何克服上述的问题，并在合理的成本内进行量产供货，则是最后的一道关卡。

依照英特尔先前发布的时程，「Lakefield」处理器应该会在今年稍晚推出，但由于英特尔没有在COMPUTEX更新此一产品的进度，是否能顺利推出仍有待观察。