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半導體

傳先進封裝技術出新,臺積電為何封裝、制造“兩手抓”?

近期,據業內人士透露,臺積電已針對數據中心市場推出了其新型先進封裝技術——COUPE(compact universal photonic engine,緊湊型通用光子引擎)異構集成技術。近年來,在先進制程方面遙遙領先的臺積電,在封裝領域的布局也毫不遜色,臺積電究竟打著怎樣的“算盤”?

利用COUPE技術以應對網絡流量的爆炸式增長

據了解,此次臺積電將推出的COUPE技術是一種光電共封裝技術(CPO),是將光學引擎和多種計算和控制ASIC集成在同一封裝載板或中間器件上,能夠使組件之間的距離更近,提高帶寬和功率效率,并減少電耦合損耗。

在今年的Hot Chips國際大會上,臺積電Pathfinding for System Integration副總經理余振華也提到,由于網絡流量的爆炸性增長,數據中心開始向硅光子領域發展,以降低功耗、提高傳輸速度。為了滿足能耗比、單位成本等要求,緊湊型通用光子引擎(Compact Universal Photonic Engine)誕生。硅光子技術的進步也驅動了硅光子封裝技術的發展,從Pluggable Optics到On-Board再到Co-Packaged Optics,驅動部件變得更加靠近,帶寬、功率效率等都在提升。

利用3D Fabric集成創新的SiPH組件,即COUPE技術,可以最大限度地減少電耦合損耗,并進一步增強系統性能。據了解,COUPE的電接口性能較為出色,其寄生電容比uBump低85%,PDN阻抗低51%。在功耗和速率方面,COUPE在相同速率下,功耗比ubump低30%;在相同功率下,COUPE的速度為ubunp的170%。若此項技術成功推出,將大大降低數據中心芯片的功耗并提高傳輸速度,以應對網絡流量的爆炸式增長。

與此同時,業內有消息稱,SiPH應用市場將至少需要2-3年的時間才能起步,但臺積電憑借其對COUPE技術的儲備,有望在該領域搶占先機,特別是用于數據中心的SiPH網絡芯片,而微軟和谷歌都在關注采用SiPH ASIC作為他們的數據中心芯片。

利用巨頭資源加強封裝領域布局

早在2012年,已經成為晶圓代工龍頭企業的臺積電便已開啟了在封裝領域的布局。“臺積電開發封裝技術,不是單打獨斗,而是積極與其他芯片廠商擴大合作。” 知名業內專家莫大康說道。

莫大康介紹,早在2012年3月,臺積電便開始與全球FPGA大廠Altera公司合作先進封裝技術。采用臺積電的CoWoS整合生產技術,二者共同開發出了全球首顆能夠整合多個芯片的三維集成電路(異質集成Heterogeneous 3DIC)測試芯片,此項創新技術可將模擬、邏輯及內存等各種不同芯片堆棧于單一芯片上,可協助半導體產業超越摩爾定律的發展。

據了解,CoWoS也成為了臺積電吸引高性能計算客戶的有力武器,其衍生版本被應用于英偉達Pascal、Volta系列,AMD Vega,英特爾Spring Crest等芯片產品。此后,臺積電再次與國際EDA龍頭企業Cadence進行合作,共同開發出InFO 封裝技術。據了解,InFO 與一般封裝技術最大的不同在于,以往的封裝采用小型印刷電路板制程,InFO 則已完全采用芯片制程,是封裝技術發展上的重大突破,且 InFO 還能使芯片更小、更薄。因此,該項技術一出現便廣受好評,當年蘋果的 iPhone7、iPhone 7Plus處理器,便采用的是InFO 封裝技術。

據悉,此次臺積電將新發布的COUPE封裝技術來自于臺積電的3DFabric技術平臺的整合創新,該平臺是將SoIC、InFO、CoWoS等3DIC平臺整合在一起所成,而該技術平臺也是臺積電與多家合作伙伴合作,共同創新的成果結晶。

打造“制造為主,封測為輔”的商業模式

早已穩坐晶圓代工第一寶座的臺積電,為何如此頻繁布局封裝產業?

不僅僅是臺積電,國際晶圓代工巨頭三星、英特爾,也紛紛開啟在封裝產業的積極布局。前不久,三星宣布,其下一代2.5D封裝技術Interposer-Cube4(I-Cube4)已完成開發,該技術將助力三星在高性能計算領域搶先占領高地。而英特爾,也在近期召開的制程工藝和封裝技術線上發布會中,接連介紹了四點封裝發展路線,分別是EMIB技術、Foveros技術、Foveros Omni技術以及Foveros Direct技術,并將先進封裝技術視為2025年之前重返產業巔峰的重要賽道之一。

據了解,這是由兩點原因造成,其一,隨著后摩爾時代的來臨,芯片先進工藝制造面臨越來越多的挑戰。然而,如今的先進封裝技術,能夠有效解決在芯片先進制造工藝中所面臨的諸多挑戰。據了解,先進封裝是在不要求提升芯片制程的情況下,實現芯片的高密度集成、體積的微型化,并降低成本,符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演進的趨勢。

其二,全球智能手機市場已連續數年規模下降,導致市場對于先進工藝的需求有所減緩。雖然分析機構Omdia數據顯示,2021年上半年全球智能手機出貨量同比增長17.4%,但事實上市場出貨量尚不及2019年同期水平。業內專家表示,智能手機市場仍未恢復到疫情前水平,2021年上半年的市場表現實際上低于預期。而智能手機等電子設備是拉動先進工藝市場增長的關鍵領域,智能手機市場規模的下降,對先進工藝的市場需求也會降低。

與此同時,如自動駕駛,物聯網,AI等新興領域尚在培育之中,莫大康表示,此類新興領域的訂單往往釆用非先進工藝制程,而且相對分散,因此也造成了幾年前全球代工銷售額的增長放緩甚至在2019年有所下降的情況。

因此,臺積電開始通過先進封裝技術,來不斷拓展自己的版圖,此次臺積電便是將用COUPE封裝技術,來搶占數據中心芯片的市場先機。

然而,在先進工藝方面,臺積電也從未懈怠,依舊大規模擴張投資,領先全球。據了解,2021年臺積電的資本支出由原本250億至280億美元提升到300億美元。300億元資本支出中,預計80%用于先進制程的研發。

集邦咨詢分析師王尊民表示,臺積電進軍封測領域的其中一個原因,也是希望能延伸自己的先進制程技術,通過制造高階CPU、GPU、FPGA芯片,并提供相應的封測流程,提供完整的“制造+封測”解決方案。雖然晶圓廠需額外支出封測等研發費用,但此方案卻能有效吸引高階芯片設計公司下單,實現“制造為主,封測為輔”的商業模式。

可見,在先進封裝以及先進制程中,臺積電時刻保持“兩手抓”的狀態,以確保自己在晶圓代工的霸主地位上,穩坐泰山。

責任編輯:沈叢


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