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6月21日消息,本月舉行的2021世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國際半導(dǎo)體博覽會(huì)上,中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明表示,后摩爾時(shí)代中國必須在芯片封裝技術(shù)方面尋求突破,尤其通過異構(gòu)集成電路(HeterogeneousintegrationCircuits)路徑,以趕上全球行業(yè)領(lǐng)先者。
吳漢明指出,隨著摩爾定律可能達(dá)到其物理極限的后摩爾時(shí)代下,截止今年,芯片性能的年增長率已從2002年的57%高點(diǎn)降至3%,發(fā)展速度慢下來了,創(chuàng)新空間和追趕機(jī)會(huì)大,這意味著封裝技術(shù)突破會(huì)給中國芯片產(chǎn)業(yè)更多的追趕機(jī)會(huì)。
具體來說,在2021世界半導(dǎo)體大會(huì)上,中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)黨委常委、副校長毛軍發(fā)指出,“異構(gòu)(原話是異質(zhì),但行業(yè)統(tǒng)一為異構(gòu))集成電路”是中國芯片封裝產(chǎn)業(yè)可以保持行業(yè)領(lǐng)先地位的一個(gè)重要方法。
所謂異構(gòu)集成電路,就是在同一個(gè)3D系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)中,將不同工藝制造的硅和非硅器件集成到一個(gè)更高級(jí)別的系統(tǒng)。
毛軍發(fā)表示,“異構(gòu)集成電路是后摩爾定律時(shí)代芯片產(chǎn)業(yè)的新方向.......對中國來說,這也是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),也是一個(gè)機(jī)遇。”
吳漢明則在演講中表示,“既然先進(jìn)工藝很難走,用戶包括設(shè)計(jì)公司最關(guān)心的應(yīng)該是系統(tǒng)性能。通過異構(gòu)集成,國內(nèi)開始有公司用40nm的工藝的芯片性能可以和與16nm相媲美,通過比較成熟的工藝做出比較先進(jìn)的系統(tǒng),我覺得這代表未來的技術(shù)延伸、技術(shù)發(fā)展方向。”
與兩位院士觀點(diǎn)較為相似的還有英特爾。近日接受媒體采訪時(shí),英特爾組件研究集團(tuán)封裝系統(tǒng)研究總監(jiān)約翰娜·斯旺(JohannaSwan)表示,異構(gòu)集成電路是封裝技術(shù)的未來趨勢。
芯片生產(chǎn)最后一公里的核心步驟
芯片是在半導(dǎo)體材料上構(gòu)建的一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)。因此,制造芯片是人類歷史上最為復(fù)雜的制造工藝。
一般來說,集成電路分成五大版塊——設(shè)計(jì)、制造、封測(封裝測試)、材料和裝備。
芯片封測位于產(chǎn)業(yè)鏈下游,是指通過測試的晶圓按照產(chǎn)品型號(hào)及功能需求加工得到獨(dú)立芯片的過程,是半導(dǎo)體生產(chǎn)的最后一公里。清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授魏少軍曾將“芯片封測”比喻成書本印刷的裝訂步驟,其具有重要作用。
芯片封測包括封裝和測試。其中,芯片封裝環(huán)節(jié)為安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼,是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁,為芯片的電信號(hào)和電源提供了一個(gè)著陸區(qū),起到安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用。如果你拆開設(shè)備終端內(nèi)部芯片、閃存部分,就會(huì)看到表面上的黑色硬殼,這就是芯片封裝后的成果。
芯片封裝在電子供應(yīng)鏈中看似不起眼,卻一直在發(fā)揮關(guān)鍵作用。作為芯片生產(chǎn)最后一公里的核心步驟,如果沒有封裝環(huán)節(jié),就無法保證可用性,芯片也就難以出貨銷售。
隨著半導(dǎo)體在不斷地在做小,尺寸已經(jīng)縮小到了納米量級(jí),傳統(tǒng)的熱壓、焊接封裝芯片的技術(shù)方法已滿足不了需求。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品輕、小、短、薄化的市場發(fā)展趨勢下,輸出入腳數(shù)大幅增加,使得3D封裝、扇形封裝(FOWLP/PLP)、微間距焊線技術(shù),以及系統(tǒng)封裝(SiP)等技術(shù)的發(fā)展成為延續(xù)摩爾定律的最佳選擇之一,半導(dǎo)體封測行業(yè)也在由傳統(tǒng)封測向先進(jìn)封測技術(shù)過渡。
例如,通過名為SiP(SystemInaPackage、系統(tǒng)級(jí)封裝)的封裝工藝,蘋果的AirPodsPro可以將核心系統(tǒng)的體積大幅縮小,搭載各種復(fù)雜的傳感器和芯片,降低功耗;另外,蘋果最新發(fā)布的AirTag藍(lán)牙防丟器,通過先進(jìn)封裝工藝,將蘋果U1UWB(超寬帶)收發(fā)器等數(shù)十個(gè)傳感器和芯片塞進(jìn)硬幣大小里面,與CR2032紐扣電池結(jié)合,實(shí)現(xiàn)超過一年的續(xù)航表現(xiàn)。AirTag成為了蘋果史上最為創(chuàng)新的產(chǎn)品之一。
這說明,封裝不僅僅是制造過程的最后一步,它正在成為產(chǎn)品創(chuàng)新的催化劑。
后摩爾時(shí)代,芯片封裝技術(shù)需要突破
不止是英特爾,半導(dǎo)體行業(yè)人士均認(rèn)為,異構(gòu)集成電路這一先進(jìn)封裝技術(shù)路徑是后摩爾時(shí)代新的突破方向。
在2021世界半導(dǎo)體大會(huì)上,全球領(lǐng)先的集成電路制造和技術(shù)服務(wù)提供商“長電科技”首席執(zhí)行長鄭力在演講中指出,利用異構(gòu)集成電路這一技術(shù)路徑,先進(jìn)封裝可以將集成電路組合成一個(gè)功能強(qiáng)大的半導(dǎo)體芯片,將有助于拓展摩爾定律。
“不光是AMD,臺(tái)積電也好,英特爾也好,國際頭部企業(yè)都在積極布局異構(gòu)集成,在半導(dǎo)體后道技術(shù)上發(fā)力實(shí)現(xiàn)一個(gè)是集成的問題,一個(gè)是高密度互連的問題,確實(shí)在業(yè)界后摩爾定律時(shí)代,大家用不同途徑繼續(xù)提升芯片集成度?!编嵙Ρ硎?,先進(jìn)封裝逐漸成為集成電路芯片成品制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。
事實(shí)上,中國芯片封裝業(yè)是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最早的,也是處于領(lǐng)先地位。根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),2004年至今,中國半導(dǎo)體封測行業(yè)一直保持高速發(fā)展,年復(fù)合增長率為15.8%。而2015年并購新加坡星科金朋的江蘇長電科技,規(guī)模已經(jīng)躋身世界第三。
不過,當(dāng)前中國封裝企業(yè)大多以傳統(tǒng)封裝技術(shù)為主,先進(jìn)封裝技術(shù)水平與國際領(lǐng)先水平仍有一定差距。盡管中國封測四強(qiáng)(長電、通富、華天、晶方)通過自主研發(fā)和兼并收購,快速積累先進(jìn)封裝技術(shù),但根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示,2018年中國先進(jìn)封裝營收占了中國集成電路封測總營收的25%,遠(yuǎn)低于全球41%的比例。
盡管如此,中國作為全球最大集成電路市場的地位不能被忽視。在2021世界半導(dǎo)體大會(huì)上,工業(yè)和信息化部電子信息司司長喬躍山表示,2020年中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到8848億元,“十三五”期間年均增速近20%,為全球同期增速的4倍。同時(shí),中國集成電路產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新與市場化上取得了顯著突破,設(shè)計(jì)工具、制造工藝、封裝技術(shù)、核心設(shè)備、關(guān)鍵材料等方面都有顯著提升。
毛軍發(fā)認(rèn)為,中國要打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思路,我們向場的演變,場的結(jié)合,進(jìn)行多學(xué)科交*,包括電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)特別是人工智能對電路的設(shè)計(jì),需要力學(xué)、化學(xué)、材料等等多學(xué)科交*開展研究。
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