先进封装基础知识与市场趋势

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引言
先进封装技术已成为半导体行业的关键技术，解决了现代电子设备对更高性能、更小尺寸和增强功能的需求挑战。随着传统硅缩放面临物理和经济限制，先进封装技术提供了替代路径，继续推动电子革命数十年的性能改进。本文探讨先进封装的基础知识、在当代半导体格局中的重要性，以及2024年及未来塑造发展的关键市场趋势[1]。

7 `: q/ N! Z" b0 H4 @半导体行业传统上依赖摩尔定律——晶体管密度大约每两年翻一番的观察结果——来推动性能改进。然而，随着晶体管尺寸接近物理极限和先进节点成本上升，行业越来越转向先进封装技术来保持性能提升轨迹。先进封装使不同类型的芯片(通常使用不同工艺技术制造)集成到单一封装中，创建优化性能、功耗和成本的异构系统。

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; S, q$ G4 ~5 h2 _图1显示了按基板类型和架构分类的各种先进封装平台，从传统引线键合封装到复杂的2.5D/3D解决方案。
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先进封装的定义和范围
) \. Z/ E7 E' s- m先进封装涵盖了一系列超越传统引线键合的技术，在芯片、基板和其他组件之间创建更复杂的互连。与主要用于保护芯片和提供基本电气连接的传统封装不同，先进封装通过三维集成、不同芯片类型的异构集成和大幅改进的信号和电源完整性实现增强功能。
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先进封装的范围包括各种平台，如翻转芯片封装、晶圆级封装(扇入和扇出)、系统级封装(SiP)、嵌入式芯片技术和2.5D/3D集成。这些技术各自提供独特优势，适用于不同应用，为先进封装解决方案提供了显著的多功能性。

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. o' B5 @1 x  @; L* @1 N图2展示了2019年至2029年关键先进封装参数的路线图，包括3D堆叠间距、凸点I/O间距、RDL线宽/间距尺寸和球状I/O间距。显示了这些关键尺寸持续微型化的趋势，突出了先进封装技术演进中的技术挑战和机遇。
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市场概览和预测
7 \6 l& [8 J) L  x先进封装市场即使在更广泛的半导体行业下滑期间也表现出显著的韧性和增长潜力。根据Yole Group报告，先进封装市场在2023年价值约378亿美元，预计将以11%的复合年增长率增长，到2029年达到695亿美元。这一增长速度远远超过同期传统封装预期的4%复合年增长率，凸显了向先进技术转变的加速趋势。
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2023年，先进封装约占总封装市场的44%，预计到2028年将扩大到50%，标志着行业发展的重要里程碑。市场由翻转芯片平台主导，包括FCCSP(翻转芯片芯片级封装)和FCBGA(翻转芯片球栅阵列)，占2023年先进封装市场份额的44%。
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图3展示了2019年至2029年先进封装相对于传统封装的增长轨迹，突出显示了先进封装市场份额和收入的稳步增长。还显示了同比增长率，说明了市场动态和韧性，尽管在更广泛的半导体行业中存在波动。

) R* N6 Z0 R* J& U$ I移动和消费领域在2023年构成了先进封装市场的73%，但到2029年，随着其他行业崛起，这一份额预计将下降到61%。电信和基础设施领域在高性能计算和人工智能应用爆炸式增长的推动下，预计将成为增长最快的领域，复合年增长率约为20%，到2029年市场份额将增加到26%。汽车和运输领域也将实现显著增长，到2029年占市场的10%，这得益于车辆电气化、高级驾驶辅助系统和信息娱乐系统中半导体含量的增加。

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) b$ f4 }5 O7 A图4显示了2023年和2029年按市场细分的先进封装收入明细，说明了移动与消费、汽车与运输、电信与基础设施以及其他领域之间不断变化的分布。突出了先进封装应用超越传统主导移动市场的多样化。
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  j% L& r6 K+ U( V: P主要技术平台
$ N- o" i: B, S. C先进封装领域包括几个不同的技术平台，每个平台都有自己的特点、应用和市场潜力。

1）翻转芯片技术作为先进封装市场最大部分，涉及将半导体器件的有源面朝下安装，使用导电凸点直接连接到基板。这种方法消除了引线键合的需要，缩短了电路路径，改善了电气性能，提高了连接密度。预计翻转芯片市场将从2023年的166亿美元增长到2029年的275亿美元，复合年增长率为9%。
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2）2.5D和3D集成技术涉及将多个芯片并排堆叠在中间层上(2.5D)或直接相互堆叠(3D)，代表了先进封装市场增长最快的部分。这些技术对高性能计算、人工智能加速器和内存密集型应用非常重要。2.5D/3D领域预计将从2023年的102亿美元增长到2029年的276亿美元，实现18%的复合年增长率。
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9 u" D" A# x' e5 `# \' p- r图5提供了2.5D和3D封装技术的全面分类，展示了各种方法，包括硅中间层、模塑中间层、嵌入式桥接和混合键合实施。说明了适用于不同应用和性能要求的各种高端封装解决方案。
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3）扇出晶圆级封装(FOWLP)将电气连接扩展到芯片区域之外，允许更高的I/O数量和改进的热性能。扇入晶圆级封装(FIWLP)将连接保持在芯片区域内，提供尽可能小的形状因子。这些技术对尺寸限制非常重要的移动应用特别重要。扇出市场预计将从2023年的17亿美元增长到2029年的22亿美元，复合年增长率为5%，而WLCSP(晶圆级芯片尺寸封装)市场将从20亿美元增长到23亿美元，复合年增长率为2%。

4）系统级封装(SiP)技术将不同功能的多个有源电子组件，以及无源组件甚至MEMS组件集成到单一封装中。SiP为不同应用提供了实质性的灵活性，同时平衡了性能、尺寸和成本考虑因素。SiP市场预计将从2023年的72亿美元增长到2029年的93亿美元，复合年增长率为5%。
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图6展示了2022年至2029年不同先进封装平台的收入预测，突出显示了各技术之间不同的增长率。显示了翻转芯片和2.5D/3D技术在收入方面的主导地位及其在预测期内的强劲增长预期。
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主要行业参与者和竞争格局
1 |' M1 U7 m% ^0 u# w! e+ s先进封装行业拥有跨越不同业务模式的多样化参与者，包括外包半导体Assembly和测试(OSAT)公司、集成器件制造商(IDM)和代工厂。领先的OSAT公司，如日月光集团、安靠和长电科技，继续主导市场，但像台积电这样的代工厂和英特尔、三星这样的IDM越来越在高端封装领域展示存在感。
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4 v% m3 J6 A+ a' B  }% t8 a台积电已成为先进封装领域的强大力量，利用半导体制造专业知识开发了领先的封装技术，如CoWoS(晶圆上芯片基板)、InFO(集成式扇出)和SoIC(集成芯片系统)。英特尔正在推行IDM 2.0战略，重点关注先进的封装技术，如EMIB(嵌入式多芯片互连桥接)和Foveros。三星也在通过I-Cube和X-Cube等解决方案扩展封装能力。

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0 J; G. f0 n+ W图7说明了台积电全面的先进封装组合，包括CoWoS、InFO和SoIC技术，展示了公司在高端封装市场中的战略定位。展示了台积电先进封装能力的广度和深度，涵盖2.5D、3D和各种扇出技术。

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7 n9 X' J  i& O$ ^技术趋势和创新驱动因素
5 `' ~: X" R' r/ e几个技术趋势和创新驱动因素正在塑造2024年及未来先进封装的发展。
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/ W' U$ l" Z, T3 Z1. Chiplet基础架构，涉及将复杂的片上系统设计分解为更小、更易于管理的部分，正作为提高产量、降低成本和实现更灵活系统设计的方法而获得关注。这些方法严重依赖先进封装技术将各种chiplet集成到一个统一的系统中。
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5 P# u7 m# Q! \4 C5 X' s+ F图8说明了从单片系统芯片(SoC)设计到基于chiplet的架构的演进。显示了chiplet实施的不同方法，包括分解和复制，突出了基于chiplet设计在性能、成本和上市时间方面的灵活性和优势。
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2. 混合键合，一种无需中间凸点或柱的直接芯片连接技术，正在成为实现超高密度互连的关键技术。这种技术已经成功应用于图像传感器和内存堆叠，并有望彻底改变逻辑集成。

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图9解释了混合键合的概念及其各种实现方式，包括晶圆对晶圆、芯片对晶圆和芯片对芯片方法。说明了混合键合过程的技术细节和行业中可用的不同键合技术。

3. 背面电源分配网络(BSPDN)将电源传递重新定位到芯片背面，以提高计算效率并减少功耗。台积电、英特尔和三星等主要参与者正大力投资这项技术，以应对先进半导体节点日益增长的功率需求。

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& w6 c+ G; q8 ~7 a5 m图10介绍了台积电的Super Power Rail背面供电技术，将其与英特尔和三星的类似方法进行比较，并强调了这一创新的性能优势。说明了背面供电如何通过优化电源分配和减少IR压降来增强芯片性能。
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1 _! {, ~4 P  U! t4. 先进基板技术的发展，包括玻璃核心基板，正在解决传统有机基板在形状因子、热管理和信号完整性方面的限制。这些创新对于支持下一代高性能计算和人工智能加速器非常重要。

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图11比较了玻璃和有机基板在各种性能参数上的表现，突出了玻璃核心基板在形状因子灵活性、热管理和互连密度方面的优势。说明了玻璃基板解决传统有机基板在先进封装应用中的限制的潜力。

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挑战和未来展望
( P6 k1 t# p; D( Q0 a' T尽管发展轨迹令人鼓舞，先进封装行业仍面临几个挑战。随着集成密度的提高，特别是在3D堆叠配置中，热管理变得越来越复杂。该行业还在应对测试挑战，因为传统的测试方法通常不足以应对复杂的多芯片封装。此外，先进封装解决方案的成本效益仍然是一个问题，特别是对于高容量应用。
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1 u+ x/ ^+ N5 `5 w图12说明了从2D到3D封装过程中越来越复杂的热挑战，突出了热管理作为先进封装设计中的关键考虑因素。强调了随着封装集成密度增加，热问题变得更加显著。

展望未来，在人工智能、高性能计算和5G技术应用不断增加的推动下，先进封装市场预计将继续保持强劲增长态势。市场也将受到地缘政治考虑的影响，全球各国政府正在投资国内半导体生态系统，以确保供应链安全和技术主权。
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图13说明了地缘政治紧张局势如何重塑全球半导体供应链，趋势是为先进技术发展本地生态系统，同时为较不先进的技术维持全球供应链。突出了半导体制造的战略重要性和地缘政治考虑对行业演进的影响。
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; O$ _  e! l' N/ s6 U3 M- }' a结论
3 d; i5 a. [- G6 B9 |$ h$ l4 K先进封装已从一项小众技术发展成为半导体行业的基石，随着传统缩放面临越来越多的挑战，提供了持续性能改进的途径。预计到2029年，市场规模将达到695亿美元，复合年增长率为11%，先进封装代表了半导体生态系统中最具活力的细分市场之一。行业正在经历快速技术创新，chiplet架构、混合键合、背面电源传输和先进基板的发展推动着下一代封装解决方案。

随着半导体行业继续发展，先进封装将在实现新兴应用所需的性能、功率效率和形状因子改进方面发挥越来越重要的作用，如人工智能、高性能计算、自动驾驶汽车和沉浸式计算。竞争格局也将继续发展，代工厂、IDM和OSAT在这个高增长市场领域争夺地位。
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; W( K4 j9 }+ k1 h* F  R) N/ g先进封装的未来将受到行业应对热管理、测试方法和成本效益挑战的能力影响，以及对地缘政治考虑和供应链安全的回应。随着技术不断成熟，将为半导体设计和系统架构创造新可能性，推动电子行业的下一波创新浪潮。
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参考文献
! u' T. g4 e: k  P* `" D[1] Yole Group, "Status of The Advanced Packaging Industry 2024," Market and Technology Trends Report, YINTR24432, 2024.
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8 O% F* D# w9 h0 W0 v! q+ a4 J深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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