封装摩尔定律将取代ICs摩尔定律

在过去的六十年，摩尔定律（Moore’s Law）是晶体管尺寸缩小、晶体管集成和降低成本的驱动力。但是电子系统，比如智能手机、无人驾驶汽车、类人机器人，则不仅仅包含晶体管和ICs。ICs摩尔定律（Moore’s Law for ICs）将电子信息产业引导成长为万亿美元产业，但是ICs摩尔定律（包括约每两年就增加晶体管集成度、降低成本）由于量子隧穿效应等因素，即将到达物理极限。因此，美国佐治亚理工学院（Georgia Tech）的Rao R. Tummala教授认为，封装摩尔定律（Moore’s Law for Packaging）在短期内，至少于降低成本方面，将会替代ICs摩尔定律（Moore’s Law for ICs）。降低晶体管尺寸（即晶体管缩放比例）以及它们的互连和集成度是ICs摩尔定律的基础；而有源、无源系统元件的尺寸减小，及其互连和集成度增加，亦可成为封装摩尔定律的基石。

               ICs摩尔定律预测了每18-24个月晶体管数量增加一倍（图1a），与此同时成本也随之降低。因此，Prof. Tummala提出封装摩尔定律趋势也类似。其中，互连由计算系统（逻辑和存储器）驱动。模拟人脑的人工智能时代的到来，也是封装摩尔定律的另一驱动力。

               目前，封装摩尔定律最先进的是基于晶圆的硅封装（Silicon Packaging）。但是硅基封装有着诸多限制，如材料、基体、互连及系统。在材料层面，Si基封装的电损耗和介电常数很高。在互连层面，Si基封装的电容和电阻很大，导致RC延迟较大。此外，Si基封装的在成本层面上与摩尔定律不兼容，而成本对于ICs摩尔定律而言是定律延续的基础。在系统层面，与ICs完美兼容的Si中介层（Si-Interposer）与基板（Boards）完全不兼容，需要额外的封装，因此使得系统级互连长度增加。

        图1 （a）ICs摩尔定律 （b）晶体管栅长与制造成本的关系

               在过去60年，ICs摩尔定律被事实证明是精准的，且被作为半导体产业的R&D目标。但是，在晶体管尺寸减小方面，由于量子效应，当减小至分子级尺寸时，电子隧穿效应会导致短路。这是ICs摩尔定律的极限，被称之为“摩尔定律终结的开始”（下一个10年内即将发生）。在成本方面，摩尔第二定律指出，在给定尺寸的晶片上，随着节点到节点之间每单位面积晶体管的数量的增长，每个晶体管的制造成本会下降。而半导体产业已得出结论是，当晶体管栅长低于14nm时，单个晶体管的制造成本鲜有降低，反而随着栅长继续减小而有所增长（图1b）。

封装摩尔定律：互连密度 or I/Os密度？

               封装摩尔定律的概念（图2a）可以从1960年代后期出现的双列直插式（DIP）封装形式开始解释：DIP的I/Os数<16，随后出现的外围四方扁平封装（QFP）的I/Os数达到64-304，而后在1980和1990年代，陶瓷封装的I/Os数已经分别达到了121和1000。但是这个时期的陶瓷封装有诸多限制，如厚膜粘贴技术中100μm的线宽和过孔，限制了I/Os数的继续增加。此外，陶瓷的高介电常数和低电导率（共烧金属如W，Mo或Ag-Pd）也限制了陶瓷封装的性能，虽然后期出现的LTCC技术部分地解决了这些局限性，特别是在顶部制作了类似于重布线层（Redistribution Layer，RDL）的薄膜布线。这些局限性促进了有机层压封装的发展，包括薄膜材料积层及工艺技术，可以使I/Os数超过5000。当前，大幅提高I/Os数的唯一办法是基于晶圆的硅封装，其I/Os可达到200,000个。

        图2 （a）I/Os封装摩尔定律（b）封装类型演进伴随着单位面积成本降低

封装摩尔定律：成本

              与ICs摩尔定律类似，成本对于封装摩尔定律也是一个重要因素。图2b展示了各个封装类型节点演进伴随着单位面积成本的降低趋势（1980-2020），其中唯一的例外是硅中介层，其成本是封装摩尔定律预测值的3-5倍，而佐治亚理工学院和其工业合作方共同研发的玻璃面板封装（Glass Panel Packaging）的成本是符合封装摩尔定律预测趋势的。

2010年后出现的两种封装形式：硅封装互连（Silicon Package Interconnections）及嵌入式封装互连（Embedded Package Interconnections）。

               硅封装是最先进的多芯片封装，I/Os数可达200,000个，延续了IBM在1990年代的”100-chip”的多芯片陶瓷封装的概念，沿用了同样的功率分配、信号传输、芯片背面散热、倒装芯片组装技术。除此之外，还新开发了两个关键技术：硅通孔（TSV）和RDL。博世（Bosch）在高带宽存储产品中的TSV制造工艺将TSV与硅中介层的整合度提升到了相当成熟的水平。RDLs是后段制程BEOL（Back End of Line）工艺前身的重组；与有机封装或陶瓷封装相比，BEOL的制造设备是Si中介层能实现高I/Os数的重要因素。

               目前，Intel在EMIB （Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）中采用了2μm线宽的Si中介层，而AMD的HBM（High Bandwidth Memory）中的GPU（Graphics Processing Unit）则是采用了1μm线宽，Xilinx在其FPGA（Field Programmable Gate Array）应用中的线宽<0.5μm。AMD对外宣称其Radeon Fury器件的GPU裸片（尺寸596 mm2）的I/Os达到了190,000个，与Xilinx在其Virtex-7 2000T FPGA产品中的I/Os数处于相同数量级。

               嵌入式封装意味着芯片是嵌入/埋入到封装体或板内，且嵌入的ICs之间的互连则可通过晶圆BEOL工具或封装工具来实现。图3a展示了从晶圆级（WLP）、芯片级封装（CSP）到晶圆级扇出型封装（WLFO，如eWLB、InFO）、面板级封装（PLP）技术的I/Os演变进程。英飞凌（Infineon）是第一家推出面向射频和模拟应用的晶圆扇出封装（Wafer Fan-Out，WFO）的公司，而台积电TSMC于2016年为Apple iphoness 7引入了首个大批量嵌入式晶圆扇出封装（eWFO），即集成型扇出（InFO），见图3b；当前InFO中约1cm2面积的应用处理器中凸点间距（Bump Pitch）为80μm。

图3 （a）从晶圆级封装（WLP）到面板级封装（PLP）的I/Os演化趋势

（b）台积电TSMC在iphoness 7中的eWFO封装

               WFO封装的I/Os数和终端应用场合都在增长，但是也存在着一系列的技术限制，如裸片放置精度、裸片位置漂移、塑封化合物收缩、晶圆翘曲、大尺寸封装的板级可靠性、多芯片的可修复性、散热、>15mm尺寸封装的高成本等。面板扇出（Panel-Fanout）技术的开发就是为了在有机、无机层压板的层面上解决上述部分技术限制，比如佐治亚理工学院推出的玻璃面板嵌入（Glass Panel Embedding，GPE）技术及三星的iCube技术。

封装摩尔定律的未来

        1、扩展Si封装互连；

        2、开发大面板、低电容和低电阻的无机玻璃面板嵌入式（GPE）封装；

        3、开发无需塑封化合物和组装的面板嵌入技术；

        4、发展光电互连技术。
5、大力发展TGV（玻璃通孔技术）、TCV（陶瓷通孔技术）等互联技术