3D封装的发展现状及趋势

李振华+加海

摘要：随着国际电子信息行业新的变革，3D封装蓬勃兴起。本文将从发展现状和未来发展趋势两个方面对当前3D封装技术加以阐述，使大家对3D封装技术的重要性及其意义有大致的了解。

关键词：3D封装，现状，趋势

一 3D封装的发展现状

3D封装号称是超越摩尔定律瓶颈的最大“杀手锏”，但是对于大部分应用而言，3D封装和2.5D封装工艺仍然太昂贵了，但是可以利用这种工艺的优势并让消费者买单的一些高端应用正在进行这种新工艺的尝试。不要指望3D封装芯片会很快出现在你的手机上，但在路由器、服务器以及高端的东西上已经开始看到3D 封装芯片的身影。三星做的一项研究显示，相较于层叠封装设计（就像目前苹果的Ax系列处理器的设计），3D封装和2.5D封装工艺可以做到在封装尺寸下降、功耗下降的同时带宽可以大幅度增长。在这些高价位的设计中3D封装工艺的价值开始凸显【1】。

业界现在也出现了一些非常高规格的3D封装器件。最早出现的是Xilinx公司的高端FPGA，但它的出货量非常低，价格也非常高，所以关于让3D封装工艺的价格真正降下来这件事，它并不能提供多少参考价值，而且事实上它也只是2.5D封装的产品，还不是真正的3D封装。三星发布了其DDR4 DRAM 3D DIMM模块。美光的混合存储立方体即将开始正式量产：这个存储器件在四个内存芯片上堆叠一个实现了所有控制逻辑的逻辑芯片。SK海力士和三星也宣布他们的3D封装内存产品正在进入大批量生产阶段。

AMD（ATI）发布了采用20nm工艺的3D堆叠高带宽内存（HBM），计划在明年第二季度开始供货。Nvidia也表示将在2016年引入3D封装工艺，英特尔曾表示他们已经掌握了这项技术，但还没有公布任何相关产品，可是别忘了他们是英特尔。在低端市场上，Matrox已经宣布下一代GPU模块将采用AMD的3D堆叠工艺。如果想上头条，就得追赶潮流。

也有一些其他的设计采用了3D封装工艺。它们的共同特征是定位高端市场，这样，尽管3D封装仍然昂贵，但它具有较高的性能/带宽比，有需求的高端市场可以承受这种成本。我不知道美光HMC的成本，但他们承认，比起购买相同数量的普通DRAM要大得多。但HMC性能是如此得高，所以如果你正在建设高端服务器或路由器，使用 HMC仍然是值得的。

近年来，SoC的最大推动力是移动设备，但移动设备对成本实在太敏感。高通曾经说过，内插器的成本太高了，而现在移动市场所有的增长都是来自低端市场，别指望3D封装会很快出现在移动应用中。

对于真正的大芯片，采用2.5D封装工艺可以节省更多。几年前我在一个3D封装工作间里观看eSlilicon在赛灵思的器件上运行成本模型，他们在4 个小芯片上做了一个2.5D封装的内插器，模型计算的结果是，与在一个不成熟的工艺上采用最大尺寸的模具相比，2.5D封装可以节省80%的成本。

2015年是一个3D封装年，这次，3D封装如约而至。是的，虽然现在还只能在高端設备中看到它，但随着产品逐渐上量和它在产业链中的渗透，慢慢地，3D封装工艺会逐渐成熟并变得更加经济。目前似乎没有任何重大的技术问题（我们知道如何构建TSV，当然这个过程会变得更好更合理；我们知道如何装配和脱粘背衬材料，这样，当我们将模具变薄时会更加可控；不同的热膨胀造成的应力问题似乎也可以得到很好的管理）。所以，真正的大问题似乎是进行上量试产，并决定在哪个器件中使用它。

二 3D封装的未来发展趋势

2016年8月，在美国加利福尼亚州圣克拉拉举办的闪存峰会上，三星公司宣布关于立体堆叠3D闪存V-NAND已经实现64层晶粒堆叠，存储密度再创新高，超过了刚经过测评的Portable SSD T3中的48层V-NAND立体堆叠。在此之前，今年上半年，我国武汉新芯集成电路制造有限公司获得国家集成电路产业投资基金及其他公240亿美元的投资，着力于3D-NAND的研发与生产，据称其实验室已经实现了32层晶粒堆叠封装。由此，3D封装技术在全球掀起的热潮可见一斑，业内人士更是将其视为我国集成电路半导体产业实现弯道超车的重要机遇【2】。

集成电路封装是集成电路技术领域的重要生产环节，近年来计算机、通信相关技术的发展，对集成电路封装技术提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、更可靠、多功能、低功耗和低成本。在二维组装密度已经达到理论最大值的情况下，更高密度的三维立体堆叠封装技术（3D封装）开始发展起来。本文的分析数据来自中国专利数据库（CPRSABS），截至2015年12月31日，3D封装技术领域涉及的中国专利申请共有4316件。

国内申请人研发热情高涨

3D封装是在2D-MCM技术基础上发展起来的高级多芯片组件技术，采用三维（x、y、z方向）结构形式对IC芯片进行三维集成的技术。3D封装与常规的晶圆级封装（WLP）、芯片级封装（CSP）等电子封装技术相比，由于取代了单芯片封装，因而封装尺寸和重量显著减小。此外，3D封装还有利于降低噪声，提高电子系统的整体性能及可靠性等。

进入上世纪90年代，3D封装技术领域开始出现少量专利申请，2003年以后，申请量开始大幅增加，达到每年100余件。近5年，专利申请量更是快速增长，2011年申请量为434件，2012年一跃达到666件，2013年达到711件。2014年和2015年申请量有所下降，但这主要是由于专利公开期限导致的滞后性，并不能反映2014年至2015年的实际申请量。由此可见，3D封装技术备受关注，各国申请人在该领域都具有较高的研发热情，同时，申请量的大幅提高，也说明各国申请人对3D封装技术在我国的市场前景抱有很高的期望。

通过分析3D封装领域申请人的分布情况，发现国内申请人的申请量达到2301件，占总申请量的一半以上，国内申请人对此领域非常重视。笔者分析国内申请人的申请趋势发现，2011年申请量为206件，2012年申请量为405件，2013年申请量为529件，占当年申请总量的比例分别为47.4%，60.8%和74.4%，在申请总量中的比例大幅增加。可以说，国内申请人在申请量方面相对国外来华申请人占据了较大优势，对封装技术领域的技术趋势把握准确，在此领域投入了相当大的研发力量。

通过研究发现，国内申请人提交的专利申请量虽然占优，但是申请人研发力量分散，企业申请量占近75%，其他为科研院所、个人申请等。我国申请量较为突出的是江苏长电科技股份有限公司，申请量为63件；武汉新芯集成电路制造有限公司的专利申请量为38件。国外来华申请人则以企业为主，占全部国外来华申请人数量的94%以上。国外申请人中，三星公司申请量最多，达到137件，其余申请量较为突出的为海力士、IBM、精工、东芝、松下等，主要申请人集中在韩国和日本。

国外申请人技术优势明显

经历40多年的发展后，封装技术已经有了很大变化，类型多达几十种。总体来说，封装技术发展可以分为三代：第一代是在20世纪70至80年代，包括单列直插封装（SIP）、无引线四边扁平封装（PQFN）等；第二代是在20世纪90年代后，主要封装类型有焊球阵列封装（BGA）、阵列引脚封装（PGA）、栅格阵列封装（LGA）等；而3D封装与系统级封装（SiP）、多芯片组件（MCM）技术等都属于第三代封装技术【3】。

值得注意的是，国内申请人提交的专利申请涉及的技术比较分散，尚未形成规模优势。以申请量最多的江苏长电科技股份有限公司为例，该公司在封装领域的申请量有近千件，但涉及3D封装技术的专利申请量所占比例还较小。而美、日、韩等国，在半导体封装领域具备技术优势，尤其日、韩两国，封装制造业发达，并且一直引领封装技术发展趋势。如日本电气、三星公司和海力士，在三代封装技术上的申请量几乎平分秋色，而申请量非常突出的三星公司和海力士近年来在封装技术领域的申请重点一直都是3D封装技术。

综上所述，3D封装技术发展迅猛，国内外申请人在该领域都投入了较多的研发力量。国外申请人，尤其是三星公司、海力士等业界巨头，对新兴技术研究深入，技术发展脉络清晰，仍然保持明显的技术优势。国内申请人在3D封装技术研发方面也表现了相当高的热情，近年来申请总量也有明显增加，但是研究的深入程度相对于行业领先者尚有差距。

三 总结

通过对3D封装技术的发展现状以及未来发展趋势的分析，我们了解了什么是3D封装技术以及它的应用。通过分析，我们了解到3D封装技术的未来前景是很光明的，我国应该大力扶持3D封装技术的发展。endprint