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據(jù)財(cái)訊網(wǎng)報(bào)道，美中對(duì)抗下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)受高度重視，但風(fēng)光一時(shí)的日本于臺(tái)韓勢(shì)力崛起后，產(chǎn)業(yè)全球市占率僅9% 左右。為避免日本擅長(zhǎng)的材料、設(shè)備等產(chǎn)業(yè)隨客戶到美國(guó)設(shè)廠，導(dǎo)致日本產(chǎn)業(yè)空洞化，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省積極邀請(qǐng)臺(tái)積電到日本設(shè)廠。

回應(yīng)日本的期待，臺(tái)積電2021年3月在日本成立了子公司「TSMC日本3D IC研究開發(fā)中心」。經(jīng)產(chǎn)省5月31日更宣布，臺(tái)積電將在茨城縣筑波市（相當(dāng)于臺(tái)灣的新竹科學(xué)園區(qū)）產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的無塵室，興建研究用生產(chǎn)線。2021年夏季開始整建，2022年正式投入研發(fā)。

半導(dǎo)體前段制程，已達(dá)極限

這項(xiàng)投資總工程費(fèi)約370億日?qǐng)A，經(jīng)產(chǎn)省計(jì)畫補(bǔ)助逾半，達(dá)190億日?qǐng)A。這項(xiàng)研發(fā)案，還有旭化成、基恩斯、信越化學(xué)工業(yè)、富士軟片、住友化學(xué)、島津制作所等日本約20家企業(yè)參與。

關(guān)于臺(tái)積電應(yīng)邀到日本設(shè)據(jù)點(diǎn)的原因，分析師指出，如果重點(diǎn)放在矽晶圓上制作積體電路的前段制程，因?yàn)橐罂煊志珳?zhǔn)，需要巨額投資，臺(tái)積電已遙遙領(lǐng)先日本廠商，并不需要在日本。但后段封裝過程，如何堆疊時(shí)節(jié)省空間是日本的強(qiáng)項(xiàng)，且10年前政府就帶頭在筑波投資這方面的技術(shù)。

先前半導(dǎo)體的技術(shù)競(jìng)賽，指的都是前段制程如何縮小尺寸，但現(xiàn)在幾乎已達(dá)技術(shù)極限。日本《鉆石周刊》分析，半導(dǎo)體業(yè)游戲規(guī)則正在改變，原本后段制程認(rèn)為附加價(jià)值低，現(xiàn)在卻和前段制程一樣躋身熱門領(lǐng)域；主要戰(zhàn)場(chǎng)已移到后段制程，而不再是一味比線路的微細(xì)化了。

半導(dǎo)體若要功能更強(qiáng)、成本更低，就要另辟戰(zhàn)場(chǎng)。這時(shí)候脫穎而出的就是后段工程的晶片3D封裝技術(shù)，因可減少多余能源耗損，提高效率。例如講究輕巧的智慧型手機(jī)、AR或VR用頭盔等，都適合用到這種技術(shù)。此外，去年開始大家都在講碳中和，也使這項(xiàng)技術(shù)高度受重視。日本半導(dǎo)體業(yè)者指出，原本節(jié)省能源就是非做不可的事，但3D封裝技術(shù)現(xiàn)在變成最重要課題。

日本有多家企業(yè)擁有3D封裝技術(shù)。材料方面包括昭和電工材料（前日立化成）、JSR、揖斐電（Ibiden）、新光電氣工業(yè)等；制造設(shè)備有牛尾電機(jī)、佳能、迪斯科（Disco）、東京精密等，迪斯科和東京精密就獨(dú)占半導(dǎo)體切割設(shè)備市場(chǎng)。這些企業(yè)及一些研究所和大學(xué)，都在臺(tái)積電合作開發(fā)的名單內(nèi)。

事實(shí)上，2020年秋季全球半導(dǎo)體大缺貨時(shí)，電腦、游戲機(jī)等設(shè)備的后段工程材料就供不應(yīng)求。當(dāng)時(shí)揖斐電還為此決定投資1,800億日?qǐng)A增產(chǎn)高性能IC封裝基板，預(yù)定2023年開始量產(chǎn)。業(yè)界人士透露，由于日本基板不足，曾導(dǎo)致部分外國(guó)半導(dǎo)體廠無法量產(chǎn)。

擅長(zhǎng)研發(fā)材料，日本找利基

《Newspicks》網(wǎng)站指出，筑波是日本3D材料開發(fā)的重鎮(zhèn)，因此臺(tái)積電對(duì)日本的期待，應(yīng)該是瞄準(zhǔn)新材料及加工新材料的設(shè)備；這也是擅長(zhǎng)研發(fā)材料的日本，維持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在感的很好切入點(diǎn)。

日本分析師認(rèn)為，半導(dǎo)體市場(chǎng)將走向兩極化。臺(tái)積電的全世界存在感日漸提升，未來應(yīng)該把目標(biāo)放在智慧型手機(jī)等科技設(shè)備、IoT、汽車相關(guān)半導(dǎo)體等；換句話說，臺(tái)積電在最先進(jìn)的領(lǐng)域，占有率勢(shì)必會(huì)擴(kuò)大。

另一方面，其他企業(yè)可以主攻一些利基半導(dǎo)體市場(chǎng)，對(duì)日本來說是絕佳機(jī)會(huì)。例如因?yàn)榄h(huán)保需求，使電源管理愈來愈重要，日本就可主打這類半導(dǎo)體。事實(shí)上日本已經(jīng)有些企業(yè)重新開始生產(chǎn)，如果日本企業(yè)能摒棄以往堅(jiān)持獨(dú)力完成的習(xí)慣，結(jié)合日本國(guó)內(nèi)技術(shù)和材料，就可望生產(chǎn)出高效率又高機(jī)能的半導(dǎo)體。

經(jīng)產(chǎn)省成功吸引臺(tái)積電到日本，應(yīng)該是希望切磋琢磨的同時(shí)，也能鞏固日本企業(yè)在新一代半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，在規(guī)模愈來愈大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，繼續(xù)占有一席之地。

臺(tái)積電為什么聚焦先進(jìn)封裝

在大家一貫的理解中，臺(tái)積電所從事的其實(shí)是晶圓代工的業(yè)務(wù)。但進(jìn)入新世紀(jì)，無論是臺(tái)積電，還是三星甚至 Intel，都把先進(jìn)封裝當(dāng)做公司的一大工作重點(diǎn)，這主要是在日益增長(zhǎng)的性能需求與摩爾定律的逐漸失效的矛盾影響下所演進(jìn)出來的折中結(jié)果。

如semiwiki報(bào)道所說，對(duì)于許多其他應(yīng)用，摩爾定律不再具有成本效益，尤其是對(duì)于集成異構(gòu)功能而言，多芯片模塊（Multi-chip modules ：MCM）和系統(tǒng)級(jí)封裝（System in PackageSiP）等“Moore than Moore”技術(shù)已成為將大量邏輯和存儲(chǔ)器，模擬，MEMS等集成到（子系統(tǒng)）解決方案中的替代方案。但是，這些方法仍然是非常特定于客戶的，并且會(huì)花費(fèi)大量的開發(fā)時(shí)間和成本。

翻看芯片發(fā)展的歷史，其實(shí)先進(jìn)封裝這個(gè)概念已經(jīng)存在了數(shù)十年。折中通過在封裝中組裝不同且先進(jìn)的芯片是推進(jìn)芯片設(shè)計(jì)的方法之一。今天，這個(gè)概念有時(shí)被稱為異構(gòu)集成。盡管如此，由于成本的原因，高級(jí)封裝主要用于高端，面向利基市場(chǎng)的應(yīng)用。

但這那可能很快就會(huì)改變。因?yàn)镮C縮放是推進(jìn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，它縮小了每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的不同芯片功能，并將它們封裝到單片式芯片上。但是，IC縮放對(duì)許多人來說變得太昂貴了，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收益都在減少。

雖然縮放仍然是新設(shè)計(jì)的一種選擇，但業(yè)界正在尋找替代方案，包括高級(jí)封裝。而變化的是，該行業(yè)正在開發(fā)新的高級(jí)封裝類型或擴(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)。

高級(jí)封裝背后的動(dòng)機(jī)仍然是相同的。與其將所有芯片功能塞在同一個(gè)芯片上，不如將它們分解并將它們集成到一個(gè)封裝中。據(jù)說這可以降低成本并提供更好的產(chǎn)量。另一個(gè)目標(biāo)是使芯片彼此靠近。許多先進(jìn)分裝使內(nèi)存更接近處理器，從而以較低的延遲更快地訪問數(shù)據(jù)。

這聽起來很簡(jiǎn)單，但是這里有幾個(gè)挑戰(zhàn)。另外，沒有一種可以滿足所有需求的封裝類型。實(shí)際上，芯片客戶面臨著各種各樣的選擇。其中：扇出（晶圓級(jí)封裝中的集成die和組件）、2.5D / 3D（芯片在封裝中并排放置或彼此疊放）和3D-IC：（在內(nèi)存上堆疊內(nèi)存，在邏輯上堆疊或者在邏輯上堆疊邏輯）就成了三種常見的選擇。

此外，業(yè)界也正在追求一種稱為Chiplets的概念，該概念支持2.5D / 3D技術(shù)。這個(gè)想法是您在庫中有一個(gè)模塊化芯片或小芯片的選擇。然后，將它們集成到一個(gè)封裝中，并使用die到die的互連方案將它們連接起來。

在臺(tái)積電方面，為了滿足市場(chǎng)對(duì)新型多芯片IC封裝解決方案的需求，他們也與其OIP合作伙伴合作開發(fā)了先進(jìn)的IC封裝技術(shù)，以提供經(jīng)濟(jì)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)摩爾定律以外的集成。

2012年，TSMC與Xilinx一起推出了當(dāng)時(shí)最大的FPGA，它由四個(gè)相同的28 nm FPGA芯片并排安裝在硅中介層上。他們還開發(fā)了硅通孔（TSV），微凸點(diǎn)和再分布層（re-distribution-layer：RDL），以將這些構(gòu)件相互連接。臺(tái)積電基于其構(gòu)造，將該集成電路封裝解決方案命名為CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）。這種基于積木和EDA支持的封裝技術(shù)已成為高性能和高功率設(shè)計(jì)的實(shí)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

臺(tái)積電于2017年宣布了InFO（Integrated FanOut technology）技術(shù)。它使用polyamide film代替CoWoS中的硅中介層，從而降低了單位成本和封裝高度，這兩項(xiàng)都是移動(dòng)應(yīng)用成功的重要標(biāo)準(zhǔn)。臺(tái)積電已經(jīng)出貨了海量用于智能手機(jī)的InFO設(shè)計(jì)。

臺(tái)積電于2019年又推出了集成芯片系統(tǒng)（SoIC）技術(shù)。借助前端（晶圓廠）設(shè)備，TSMC可以非常精確地對(duì)準(zhǔn)，然后使用許多窄間距的銅焊盤進(jìn)行壓焊（compression-bond）設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步最小化形狀因數(shù)，互連電容和功率。

這兩種技術(shù)就逐漸演進(jìn)成了今天的3D Fabric。

按照臺(tái)積電方面的定義，諸如CoW（chip-on-wafer）和WoW（wafer-on-wafer）等前端芯片堆疊技術(shù)統(tǒng)稱為“ SoIC”，即集成芯片系統(tǒng)（System of Integrated Chips）。這些技術(shù)的目標(biāo)是在不使用后端集成選項(xiàng)上看到的“bumps”的情況下，將硅片堆疊在一起。在這里，SoIC設(shè)計(jì)實(shí)際上是在創(chuàng)建鍵合接口，以便硅可以放在硅的頂部，就好像它是一整塊硅一樣。

根據(jù)臺(tái)積電官方介紹，公司的SoIC服務(wù)平臺(tái)提供創(chuàng)新的前段3D芯片間堆疊技術(shù)，用于重新集成從片上系統(tǒng)（SoC）劃分的小芯片。最終的集成芯片在系統(tǒng)性能方面優(yōu)于原始SoC。它還提供了集成其他系統(tǒng)功能的靈活性。臺(tái)積電指出，SoIC服務(wù)平臺(tái)可滿足云，網(wǎng)絡(luò)和邊緣應(yīng)用中不斷增長(zhǎng)的計(jì)算，帶寬和延遲要求。它支持CoW和WoW方案，而這兩種方案在混合和匹配不同的芯片功能、尺寸和技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)提供了出色的設(shè)計(jì)靈活性。

具體而言，臺(tái)積電的SoIC技術(shù)是將多個(gè)die堆疊到“ 3D構(gòu)造塊”（又稱為“ 3D Chiplet”）中的一種非常強(qiáng)大的方法。

如今，SoIC在垂直堆疊的芯片之間的每平方毫米空間能夠?qū)崿F(xiàn)約10,000個(gè)互連。但看法這正在進(jìn)行向每平方毫米100萬個(gè)互連的開發(fā)工作。3D-IC愛好者一直在尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種細(xì)微互連，進(jìn)一步減小外形尺寸，消除帶寬限制，簡(jiǎn)化die堆疊中的熱量管理以及將大型、高度并行系統(tǒng)集成到其中的IC封裝方法。

Intel的封裝路線圖

“半導(dǎo)體制造和封裝正在融合，在這個(gè)過程當(dāng)中，封裝已經(jīng)成為一個(gè)非常重要、有趣的創(chuàng)新所在”英特爾封裝研究與系統(tǒng)解決方案總監(jiān)Johanna Swan日前在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者采訪的時(shí)候如是說。

據(jù)Johanna Swan介紹，在進(jìn)入到IDM 2.0時(shí)代后，英特爾將繼續(xù)開發(fā)2D、2.5D 和 3D 等先進(jìn)封裝技術(shù)。英特爾也會(huì)將這些技術(shù)提供給代工客戶，以滿足他們獨(dú)特的產(chǎn)品需求。其中，Hybrid Bonding將成為英特爾先進(jìn)封裝發(fā)展關(guān)鍵。

從上述這些回復(fù)中，我們可以發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)封裝將成為未來產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化的關(guān)鍵。因此，對(duì)于先進(jìn)封裝的理解，以及區(qū)別于其他代工廠商在先進(jìn)封裝上的優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)成為其先進(jìn)封裝技術(shù)是否能被更大的市場(chǎng)所接納的關(guān)鍵所在。

在英特爾看來，在功率效率、互連密度和可擴(kuò)展性等方面的提升，是指引著英特爾先進(jìn)封裝發(fā)展的明燈。以此為基礎(chǔ)，英特爾也曾在其架構(gòu)日上展示了其封裝技術(shù)路線圖。

如圖所示，從標(biāo)準(zhǔn)封裝到EMIB（嵌入式多管芯互聯(lián)橋接）再到Foveros，凸點(diǎn)間距從100μm縮減到50-25μm。而無論是EMIB（嵌入式多管芯互聯(lián)橋接）還是Foveros，這都是英特爾在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的過往，對(duì)于未來，他們將怎么走下去？

Johanna Swan表示：“我們擁有的發(fā)展機(jī)會(huì)是在每毫米立方體上提供最多的區(qū)塊并獲得每毫米立方體最多的功能。但在這方面我們還沒有走到極限。”

基于這種理解，英特爾也將在未來致力于開發(fā)小于10微米凸點(diǎn)間距的封裝技術(shù)。

在英特爾看來，混合結(jié)合（Hybrid Bonding）是實(shí)現(xiàn)小于10微米凸點(diǎn)間距的關(guān)鍵技術(shù)之一。Hybrid Bonding也是去年英特爾在其架構(gòu)上首次提出的方案。在今年的 ECTC中，英特爾再次公布了關(guān)于Hybrid Bonding的一些細(xì)節(jié)。據(jù)英特爾介紹，采用Hybrid Bonding還可實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸。

據(jù)介紹，凸點(diǎn)間距為50微米的Foveros，在每平方毫米中包含大約 400 個(gè)凸點(diǎn)。但對(duì)實(shí)現(xiàn)小于10微米的凸點(diǎn)間距的Hybrid Bonding，則可在每平方毫米容納10,000 個(gè)凸點(diǎn)。Johanna Swan表示表示：“這樣，我們便可以在兩個(gè)芯片之間實(shí)現(xiàn)更多的互連，這也意味著采用這種方式可以提供更小、更簡(jiǎn)單的電路，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上可以相互疊加。因此，也不必做扇入（fan-in）和扇出(fan-out)。有了這個(gè)更簡(jiǎn)單的電路，我們可以使用更低的電容。然后開始降低該通道的功率。”

與此同時(shí)，Johanna Swan也指出，由于Foveros和Hybrid Bonding在組裝工藝上存在著差異，因此，在使用Hybrid Bonding時(shí)，需要一種新的制造、清潔和測(cè)試方法。

采用Hybrid Bonding的初衷是為了將更多的IP或區(qū)塊（tile）集成在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片到芯片的互連。而這就意味著，從焊接轉(zhuǎn)向Hybrid Bonding，即要保持制造流程以相同的速度進(jìn)行，還要將更多的IP或芯片放置在一起。

為解決這一挑戰(zhàn)，英特爾正在考慮的解決方案是進(jìn)行批量組裝，他們稱之為自組裝。據(jù)介紹，英特爾正在聯(lián)手CEA-LETI 在推進(jìn)混合結(jié)合（Hybrid Bonding）自組裝研究。

Johanna Swan表示，混合結(jié)合（Hybrid Bonding）的技術(shù)進(jìn)步同樣可用于CO-EMIB和ODI架構(gòu)，這些架構(gòu)則是英特爾先進(jìn)封裝在可擴(kuò)展性方面所推出的技術(shù)。

力抗臺(tái)積電！三星宣布I-Cube4 先進(jìn)封裝芯片即將上市

據(jù)美商應(yīng)用材料公司（Applied Materials）說法，摩爾定律（Moore's law）必須依賴新的材料、運(yùn)算方式、設(shè)計(jì)架構(gòu)、以及封裝來為定律持續(xù)延續(xù)。因此，可以看出先進(jìn)封裝未來在半導(dǎo)體制程上未來所扮演的重要角色，也使包括臺(tái)積電與南韓三星目前都在此領(lǐng)域積極布局。而根據(jù)南韓媒體的報(bào)導(dǎo)，三星宣布，下公司一代2.5D 封裝技術(shù)Interposer-Cube4（I-Cube4）芯片即將上市。

報(bào)導(dǎo)指出，三星I-Cube 是一種異質(zhì)整合技術(shù)，可將一個(gè)或多個(gè)邏輯芯片（如CPU、GPU 等）和多個(gè)記憶體芯片（如高頻寬記憶體，HBM）整合連結(jié)放置在硅中介層（ Interposer）頂部，進(jìn)一步使多個(gè)芯片為單個(gè)元件工作。根據(jù)三星所公布的I-Cube4 封裝晶片中，包含了4 個(gè)HBM 記憶體及一個(gè)邏輯芯片，而三星還將盡快研發(fā)出搭載6 個(gè)、8 個(gè)HBM 記憶體技術(shù)推廣。

報(bào)導(dǎo)進(jìn)一步解釋，硅中介層（Interposer）指的是在高速運(yùn)行的高性能芯片和低速運(yùn)行的PCB 板之間插入的微電路板。而硅中介層和放在它上面的邏輯芯片、HBM 高頻寬記憶體等透過硅通孔（TSV，Through Silicon Via）微電極進(jìn)行連接，可大幅提高芯片的性能，而且還能減小封裝的面積。

據(jù)了解，自2018 年推出I-Cube2 和2020 年推出eXtended-Cube（X-Cube）以來，三星藉由結(jié)合先進(jìn)制程技術(shù)，而且以高速介面IP，以及先進(jìn)2.5 / 3D 封裝技術(shù)等，推出更高等級(jí)和更先進(jìn)的封裝技術(shù)，全力支持客戶的產(chǎn)品商業(yè)化應(yīng)用。而新一代封裝技術(shù)將為廣泛應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)傳輸和高性能數(shù)據(jù)運(yùn)算的領(lǐng)域，比如高效能運(yùn)算（HPC，High Performance Computing）、人工智能、云端運(yùn)算服務(wù)，以及資料中心等應(yīng)用。

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臺(tái)積電擁抱日本背后：晶圓廠新戰(zhàn)役打響

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