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實現4nm芯片三維封裝意味著什麼?芯片產業未來走向是立體封裝
2022/08/27
2022/08/27

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前兩天,一個粉絲讓我講講中國企業突破4nm芯片封裝技術的話題。剛巧,我也看到某個國內自媒體拿台積電來說事,說這項技術會讓台積電哭暈。還說可以繞過高端光刻機了。真是這樣嗎?我來給大家解惑一下。

一、芯片封裝技術

封裝技術,是芯片產業必不可少的一環,就像人需要穿衣服一樣,芯片生產出來需要封裝。一個芯片生產出來不封裝是無法直接使用的,封裝既是對芯片的保護,也是為了給芯片提供一個對外交流的接口。封裝的設計,就像給人穿衣服一樣,要對芯片知冷知熱,芯片工作時產生的熱量必須通過封裝外殼高效地傳導出來,避免芯片燒毀,封裝好的芯片可以隔絕空氣減少元器件和電線氧化失效。同時,芯片封裝又不僅僅是穿衣服那麼簡單,你可以理解成高檔的燈具絕不是簡單地把電燈泡包起來。通過封裝,可以讓多個芯片整合在一起,發揮1+1大于2的功效。對于有些領域,封裝的成本甚至會超過芯片本身,可見芯片封裝的重要性。

早期的芯片封裝確實比較簡單,只是把芯片給包裝起來,并給芯片提供一個對外的接口。大家看過電路板的話,那些有兩排插腳像短蜈蚣一樣的元器件,就是使用早期的封裝技術。但是隨著芯片性能的不斷提高,早期的封裝技術就遠遠無法符合要求了。后來有了方形芯片四面都是插腳的封裝方式,再后來又發展出了焊球陣列封裝。從外觀上看只是接口形式的變化,但是從內部看卻越來越復雜。

芯片封裝從單芯片封裝過渡到多芯片封裝再到系統級封裝。單芯片封裝方面,從注重接頭效率,到注重封裝效果,比如芯片尺寸封裝,像手機這樣的設備要求封裝以后的芯片越小越好,也就是芯片封裝外殼越小越好,哪怕封裝后的芯片比別人大一點或者厚一點,都有可能成為被客戶放棄的理由。當初台積電從三星手里面搶奪蘋果訂單,就是依靠理念更先進的封裝技術。

二、多芯片封裝和異構封裝

多芯片封裝方面,從水平排列封裝,到三維疊加封裝,再到多維異構封裝。所謂的多維封裝,就是相對于二維封裝來說的。二維封裝是讓多個芯片并列擺放,芯片越多,封裝出來的產品越大,在電路板上非常占用空間。為了減少尺寸就會用到多維封裝,就是把芯片摞起來,不增加面積,只增加厚度。大家千萬不要以為立體封裝就是把幾個芯片摞在一起就可以了。摞在一起的芯片怎樣散熱,線路怎樣連接,如何減少厚度,相互之間怎樣減少干擾,都是需要考慮的問題。

其實,三維疊加封裝主要應用在結構比較簡單的存儲芯片領域,更復雜的芯片需要更復雜的封裝方式,也就是多維異構封裝。

所謂的異構封裝,就是把不同生產工藝甚至不同材料的芯片封裝在一起的技術,主要應用于系統級芯片的封裝。所謂系統級芯片,我們拿手機芯片來舉例,手機芯片已經不再是傳統意義上的CPU,而是把CPU、GPU、AI芯片、內存、甚至通信芯片、電源控制芯片等整合到一起的系統級芯片。這些芯片本身并不是一起生產出來的,生產工藝不一樣,甚至生產材料都不一樣,能不能有機整合到一起,就看封裝的水平了。

有的朋友可能會問了,台積電那麼厲害,為啥不直接把這些芯片整合生產出來,非要切成一片一片再封裝呢?首先,芯片越復雜,生產流程越復雜,生產成本越高。同樣的芯片放到一個晶圓上生產,不同的核心放到不同的批次上生產,效率更高,成本更低。其次,芯片生產特別強調良率,也就是合格率。所有的芯片代工廠都無法做到良率百分百,而且芯片越大越復雜,良率越低。顯然把多核芯片拆開來生產,要比整合到一起生產更劃算。既然拆開來生產,就必須要再整合在一起,封裝的重要性就體現出來了。

多說一句,有些功率芯片,使用三代半導體技術,用砷化鎵、氮化鎵或碳化硅來生產,并不能跟硅基芯片一起生產,就算是整合的時候,也不是簡單摞起來就行了,必須要考慮材料的兼容性,還要綜合考慮導熱散熱問題和線路連接問題,這對封裝技術提出了比較高的要求。

講了這麼多,大家也應該明白了,所謂的多維異構封裝,并不是中國公司獨創的,而是業內的通用做法。大家千萬不要以為台積電不會封裝,台積電能提供從芯片設計到芯片封裝測試的全部服務,只不過最拿手的還是芯片生產環節,因為那是目前為止最不可替代的環節。台灣的芯片產業,就是從封裝開始的,后來才逐漸涉足芯片制造。台灣在芯片封裝行業基礎雄厚,技術領先,并非大陸公司可以輕易超越的。

至于說,多維異構封裝技術能替代芯片工藝的不斷提升,成為芯片生產行業下一步的發展方向,這一點是有一定道理的。隨著芯片制程工藝的不斷提高,芯片中的晶體管越做越小,生產難度越來越大,量子隧穿效應帶來的功耗增加越來越明顯,提高工藝制程帶來的收益,將會小于改進封裝工藝帶來的收益。所以,近幾年芯片封裝領域的產值增加速度非常快,平均超過了10%。

雖然封裝工藝的前景無限,但是僅靠封裝工藝是擺脫不了卡脖子限制的。簡單點說就是,只會包裝,不會生產,包裝得再好,買不到合適的芯片來包裝也是英雄無用武之地的。中國企業實現4nm芯片封裝工藝,被某些人報道得好像突破了4nm芯片生產工藝一樣,又好像這個企業封裝的芯片不是台積電或三星生產的一樣。大家看到,笑笑也就好了。

三、先進封裝工藝可以擺脫對先進光刻機的需求嗎?

很多人可能認為最先進的極紫外光刻機只適用于7nm以下制程工藝,14nm、28nm完全是深紫外光刻機的天下,用不到那麼先進的光刻機。這個理解是錯誤的。深紫外光刻機生產14nm、28nm是沒有問題,但是隨著極紫外光刻機的普及,深紫外光刻機就算是在28nm成熟工藝上的優勢也將越來越少。長波長的深紫外光刻機能應用于28nm及以下制程的關鍵,就是通過多次曝光的方式。打個比方,極紫外光刻機一次曝光就能畫出來的圖形,深紫外光刻機可能需要三次曝光甚至更多次,才能畫出來。

而且,就算畫出來,也比極紫外光刻機畫出來的圖形粗糙多了,相應地,產品的良率遠遠低于極紫外光刻機生產出來的產品。當台積電、三星不斷添置新的更先進的極紫外光刻機,把相對較老的極紫外光刻機應用到成熟制程上時,對于只能應用深紫外光刻機的芯片代工廠來說,簡直就是降維打擊了。

憑借深紫外光刻機生產14nm芯片,加上立體封裝就能讓台積電哭暈的想法,太一廂情愿了。不是無知,就是故意忽悠普通老百姓,賺取流量。更值得強調的是,就算是深紫外光刻機,也是依賴進口的,想實現國產化替代,短時間內是不可能的。而且深紫外光刻機也有被禁售的可能性。與其靠嘴自嗨,還不如塌下心來支持相關研究,盡快幫助國家實現技術上的突破來得更可靠。

那位該說了,那這個實現4nm芯片封裝的技術就沒有任何意義了嗎?當然不是,只要是技術突破,就有意義。4nm芯片生產工藝很難,這是眾所周知的,這種芯片的封裝也是非常困難的。畢竟工藝制程越小,晶體管越小,晶體管之間的距離也越小,導線之間的距離也越小。如何把芯片上的導線準確地接到外接接口上,本身就是非常考驗技術的。能實現4nm芯片的封裝,本身就是技術上的巨大進步。再加上能實現多維異構封裝,絕對值得稱贊。

但是從謹慎的角度考量,也還是有一些值得擔憂的地方。第一,封裝設計軟件能否做到獨立自主?如果做不到,隨時有被禁用的風險。第二,生產設備是不是進口的?如果是,隨時有被禁售的風險。第三,生產耗材能否做到獨立自主?如果做不到,隨時有被斷供的風險。第四,核心專利是否掌握在自己手里面?如果不是,風險可想而知。第五,能否不斷提高市場占有率?如果市場占有率不高,利潤不能做到持續增加,后續的研發乏力,企業將沒有生存競爭力。

好了,就簡單介紹這麼多吧。雖然我非常期待中國芯片產業能盡快走向獨立自主,超過別國的技術。但所有的事情都需要努力加上時間,不是一朝一夕就可以實現的。我現在能做的,就是多介紹一些相關知識,讓那些聰明的孩子們產生興趣,立志從事高端科技行業,為行業發展做出自己的一份貢獻。

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