堆疊:一種摩爾定律以外的高度集成替代方案
摩爾定律的放緩,為滿足行業(yè)大趨勢嚴(yán)格指標(biāo)要求的新發(fā)明開辟了道路。在封裝領(lǐng)域,許多半導(dǎo)體廠商傾向于2.5D和3D堆疊技術(shù),,而硅通孔(TSV)是最早的堆疊技術(shù)之一,。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展和對MEMS的關(guān)注,,它最終進(jìn)入了許多應(yīng)用領(lǐng)域,。如今,,2.5D和3D堆疊技術(shù)已成為能夠滿足當(dāng)前人工智能(AI)和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用性能需求的唯一解決方案。堆疊技術(shù)已被應(yīng)用于高,、中,、低端市場的各種硬件,包括3D堆疊存儲,、圖形處理單元(GPU),、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和CMOS圖像傳感器(CIS)等。
各種應(yīng)用中先進(jìn)堆疊封裝技術(shù)的市場機(jī)遇
高帶寬存儲(HBM)和CMOS圖像傳感器等硬件占據(jù)了TSV市場的大部分營收,。堆疊技術(shù)整體市場規(guī)模將在2023年超過55億美元,,在此期間的復(fù)合年增長率(CAGR)可達(dá)27%。對于目前來說,,消費(fèi)類市場是最大的細(xì)分市場,,其市場份額超過了65%。但矛盾的是,,這并不意味著消費(fèi)類市場就是這些技術(shù)的主要驅(qū)動因素,。事實(shí)上,高性能計算(HPC)是堆疊技術(shù)的真正驅(qū)動因素,,在2019~2023年期間將呈現(xiàn)最快的增長速度,,市場份額預(yù)計將從2018年的20%增長到2023年的40%,就封裝營收而言,,這相當(dāng)于2018年?duì)I收的6倍以上增長,。相應(yīng)的,消費(fèi)類市場份額將減少,,而汽車,、醫(yī)療和工業(yè)等其他市場將維持目前的市場份額。
2018~2023年按市場細(xì)分的堆疊技術(shù)營收
從TSV到晶圓級堆疊,,封裝技術(shù)正在蓬勃發(fā)展
由于堆疊技術(shù)競爭主要集中在“TSV”和“無TSV(TSV-less)”之間進(jìn)行,,因此Yole在本報告中針對這兩類技術(shù)進(jìn)行了分析。
對于目前的高端市場,,市場上最流行的2.5D和3D集成技術(shù)為3D堆疊存儲TSV,,以及異構(gòu)堆疊TSV中介層。Chip-on-Wafer-on-Substrate(CoWos)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于高性能計算應(yīng)用,,新的TSV技術(shù)將于2019年上市,,即來自英特爾(Intel)的Foveros(基于“有源”TSV中介層和3D SoC技術(shù),具有混合鍵合和TSV互連(可能)技術(shù)),。Foveros的出現(xiàn)表明,,雖然“TSV”受到了來自“無TSV”技術(shù)的挑戰(zhàn),,但廠商仍然對它很有信心。
我們不能忽視“無TSV”技術(shù)在市場上的興起,。這些創(chuàng)新可以劃分為“帶基板型(with substrate)”和“嵌入基板(embedded in substrate)”兩組,。嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化,是“嵌入基板”組的一種,,其Si橋在基板中較深的位置,。其他基板技術(shù)也正在開發(fā)中,但仍未上市,,例如集成薄膜高密度有機(jī)封裝(I-THOP)和倒裝芯片-嵌入式中介層載具(FC-EIC)等,。
左邊是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)2.5D封裝的芯片,右邊是英特爾EMIB封裝的芯片
圖片來源:《英特爾嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)》
“帶基板型”技術(shù)也用于TSV替代,,例如基板上集成扇出型封裝(InFO),,它廣泛用于蘋果公司(Apple)的處理器。此外,,再分配層(RDL)中介層技術(shù)目前正在開發(fā)中,預(yù)計將在2020年上市,。最后同樣需要注意的是,,基板上扇出型芯片(Fan Out Chip on Substrate, FOCoS)于2016年開發(fā)并商業(yè)化,但似乎訂單并不多,。
堆疊技術(shù)賦能的CMOS圖像傳感器發(fā)展路線圖
混合鍵合技術(shù)可以橋接“TSV”/“無TSV”這兩個主要技術(shù)類別,。這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特之處在于它可以同時成為TSV技術(shù)的挑戰(zhàn)者和支持者。自2016年以來,,它一直被用于智能手機(jī)的CMOS圖像傳感器,,并且在不久的將來,它將作為一種互連解決方案整合存儲和2.5D高端市場,。
2018年“無TSV”堆疊技術(shù)概覽
誰在支持并投資堆疊技術(shù),?
各類不同的市場參與方都希望在不斷增長的55億美元堆疊市場中占有一席之地,目前主要有四種商業(yè)模式在堆疊業(yè)務(wù)領(lǐng)域參與競爭:代工廠,、集成器件制造商(IDM),、外包半導(dǎo)體封測廠商(OSAT)和IP廠商。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹,,臺積電(TSMC),、聯(lián)華電子(UMC)和格芯(GlobalFoundries)等晶圓代工廠,主導(dǎo)了TSV異構(gòu)堆疊技術(shù),,因?yàn)樗鼈冇心芰ψ约荷a(chǎn)中介層,。擁有“Foveros”技術(shù)的英特爾,是唯一一個試圖在這個領(lǐng)域參與競爭的IDM,。
對于3D堆疊存儲,,競爭主要在IDM“三巨頭”三星(Samsung),、SK海力士(SK Hynix)和美光(Micron)之間,這些公司將繼續(xù)統(tǒng)治堆疊存儲市場,。
同時,,3D SoC是一種代工技術(shù),很可能只有一家代工廠會生產(chǎn)它,,以確保高良率并控制風(fēng)險,。在這方面,臺積電在上市時間的競爭中領(lǐng)先于格芯,。
對于“無TSV”技術(shù),,競爭主要存在于代工廠、IDM,、OSAT和基板制造商之間,。三星、英特爾和臺積電等廠商,,都參與了“有”和“沒有”TSV技術(shù)的開發(fā),。2016年,OSAT巨頭日月光(ASE)向市場引入了FOCoS技術(shù),,而安靠(Amkor)等其他廠商也已經(jīng)開發(fā)出了合適的技術(shù),,但仍然在等待訂單中。
日本新光(Shinko),、欣興電子(Unimicron)以及最近的富士通互連科技(Fujitsu Interconnect)等基板公司,,仍然在研發(fā)中。IP廠商Xperi的混合鍵合技術(shù)處于“有TSV”和“無TSV”技術(shù)之間,,預(yù)計將對市場產(chǎn)生積極影響,。Xperi的另一個優(yōu)勢是其技術(shù)兼容高端和中/低端細(xì)分市場。
代工廠,、IDM和IP廠商相比OSAT在堆疊技術(shù)方面有優(yōu)勢,,因?yàn)楹笳咴讷@得訂單方面有困難。
主要堆疊技術(shù)及廠商概覽
本報告涉及的部分公司:Alchip, Aledia, Alibaba, Amazon, AMD, Amkor, AMS, ANPEC, Apple, ASE, ASUS, Atos, Audi, Avago, Baidu, Bosch, Bitmain, BitFury, Broadcom, Canaan, Carsem, Cisco, Cray, DARPA, EBANG, EMmicroelectronic, EPworks, Facebook, Faraday, Fingerprints, Foxconn, Fraunhofer, Fujitsu, Gigabyte, GlobalFoundries, Google, GUC, HalongMining, HLMC, HP, Huatian, Huawei, Ibiden, IBM, Icsens, IMEC, Inari Technology, Infineon, Innosilicon, Intel, InvenSense, JCET STATS ChipPAC, Juniper, Lenovo, Leti, Lfoundry, LGinnotek, mCube, Melexis, Memsic, Mercedes-Benz, Micralyne, Micron, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, NXP, Omnivision, ON Semiconductor, OpenSilicon, Osram, PTI, Samsung, SensL, Shinko, SK Hynix, SMIC, Sony, SPIL, STMicroelectronics, Tencent, TF, Toshiba, TPK, TSMC, UMC, Unimicron, Xfab, Xilinx, Xintek, XMC, Xperi, YMTC...