先进异构集成 助力突破限制

先进异构集成是一种可将多个分别制造的芯片组件集成到单个封装内的技术，并能简化和改进整个封装过程。企业利用先进异构集成技术，可显著提高生产过程的效率和性能，以更少的成本实现更多产能，达到事半功倍的效果。因此该技术对于芯片制造业的进步至关重要，这也正是Samsung Foundry的发展目标。Samsung Foundry业务发展负责人Moonsoo Kang在2022年三星晶圆代工论坛（SFF）上对此做了充分阐释。 Kang在演讲中详细介绍了三星先进异构集成解决方案的发展路线图，并向观众展示了植根于三星“超越摩尔定律”（Beyond Moore）的先进封装技术。这些技术为水平和垂直集成创新提供了源源不断的动力，包括：I-Cube、H-Cube和X-Cube。 原有路径：“延续摩尔定律”（More Moore） 和“扩展摩尔定律”（More Than Moore） 在演讲中，Kang首先回顾了芯片开发历史上占主导地位的集成技术演进方向——“延续摩尔定律”和“扩展摩尔定律”。两者均根据工程师戈登•摩尔在1965年的预测而得名。当时他预测芯片上集成的晶体管数量每两年就会翻一番，即著名的“摩尔定律”。 Kang指出,“延续摩尔定律”追求的是尽可能缩小芯片上的晶体管和连线的尺寸，此种做法实现了计算和电子技术的革命性发展。然而，随着市场对计算能力的需求激增，芯片上需要集成的晶体管数量越来越多，“延续摩尔定律”已经达到了自身极限。将尽可能多的功能集成在单一芯片中，是一种经济实用的选择。但半导体行业已经发展到光刻法（利用光在基板上添加材料）一次刻蚀所能达到的尺寸极限，依靠缩小尺寸来提高芯片性能的方法，已难以为继。 与“延续摩尔定律”不同，“扩展摩尔定律”追求的是创建专业化和多样化的芯片架构，以更好地适应广泛的功能需求。这种选择的确很有效，但缺点是有时成本过高。 尽管“延续摩尔定律”和“扩展摩尔定律”在发展方向上差异很大，但Kang认为，二者之间存在互补的可能性。秉持这一思路，Kang和Samsung Foundry的团队一直在尝试开辟第三条道路—— “超越摩尔定律”。Kang解释说，这一方法追求的是上述两个方向的“强强联合”，而先进异构集成便是达成这一目标的关键。 “超越摩尔定律”与先进异构集成的作用

“超越摩尔定律”的异构集成技术，可缓解不断增加的开发成本，同时提高产品性能。 Kang 指出：“随着人们在芯片上添加越来越多的功能，虽然我们仍在遵循摩尔定律来缩小元件尺寸，但芯片的整体尺寸将会增大。我们将大裸片分割成小芯片，并对每个小芯片采用优化的制造工艺，从而能够提高总良率，降低制造成本。” 客户还探讨了可重用小芯片的诸多优势。将产品中的大部分 IP 以小芯片的形式重复使用，只重新设计其他区域，然后利用异构集成技术将其全部集成，可以大幅降低生产时间和成本。 目前在研究下一步的性能改进可能。 Kang 解释说：“在传统的 2D 设计中，设计模块之间的信号通路可能长达几毫米。采用 3D 集成技术，可以直接将芯片重叠起来。信号通路可缩短至几微米，从而显著降低延迟。此外，3D 集成有着更小的互连间距，可以实现极高的带宽，最终提高性能。” 三大先进封装技术，奠基晶圆代工未来 Kang继续介绍了三星基于“超越摩尔定律”方法的异构集成技术，以及在晶圆代工业务中的实践。沿着水平集成和垂直集成两种方向，三星先后研发出三大先进封装技术：I-Cube、H-Cube和X-Cube。

I-Cube I-Cube是一种2.5D封装解决方案，其中的芯片并排放置在中介层上。为提高计算性能，I-Cube的客户通常会要求增加中介层面积。对此，三星推出两种I-Cube 方案：I-CubeS和I-CubeE。 Kang介绍道：“作为新一代I-CubeS，I-CubeS 8的硅中介层拥有3倍标线尺寸，可容纳8个HBM和2个逻辑裸片。 I-CubeE支持嵌入式硅桥裸片，对大中介层而言，更具成本效益。 我们还计划开发可容纳12个HBM的I-CubeE，预计在2025年实现量产。” H-Cube H-Cube，全称为“混合式Cube”（Hybrid Cube），是三星推出的另一种2.5D封装解决方案。该方案旨在解决半导体行业目前面临的单元印制电路板（PCB） 严重短缺问题。 Kang解释说：“H-Cube方案抛弃了大面积的ABF基板，采用面积较小的ABF基板或FBGA基板叠加大面积的HDI基板的方式，能够为客户带来先进的PCB解决方案。其性能更优、封装成本更低、PCB供应链管理也更方便。” X-Cube X-Cube是一种全3D封装解决方案，采用芯片垂直堆叠技术。 Kang表示：“X-Cube通过 微凸块或更先进的铜键合技术，将两块垂直堆叠的裸片连接起来。我们计划2024年开始量产微凸块类型的X-Cube产品，2026年开始量产铜键合类型的X-Cube产品。” Kang还展示了未来三星所有Cube解决方案的发展路线图，并指出，其中一些解决方案将于今年推出新的商用版本。 他表示：“Samsung Foundry的Cube解决方案拥有灵活的架构，可满足各种客户需求和应用场景。” 其他技术进展和无缝生态系统的发展

除了 Cube 解决方案，Kang 还详细介绍了 Samsung Foundry 一直关注的其他技术进展、集成堆叠电容（ISC） 开发情况，以及与三星存储器部门的密切合作。此次跨部门合作旨在开发新产品 3D DRAM，以助力下一代高性能计算设备。3D DRAM 无需借助缓冲裸片，可直接堆叠在逻辑裸片上。 最后，Kang 还介绍了对三星业务至关重要的生态系统。 他强调：“Samsung Foundry 始终致力于与合作伙伴合作，携手共建强大的晶圆代工生态系统。我们的‘超越摩尔定律’生态系统现已囊括了大量的合作伙伴，如设计解决方案合作伙伴（DSP）、IP 供应商、EDA 合作伙伴、OSAT 以及 PCB 供应商。通过与生态系统伙伴密切合作，我们能够适应多种多样的业务模式和客户需求，并以高度灵活的方式为客户提供无缝支持。” “半导体行业目前面临许多挑战和限制，但也充满希望和机遇，我们将迎来更多变革和创新。这将是一段美好的新征程，Samsung Foundry 希望成为客户信赖和珍视的旅途伙伴，随时为客户提供优质服务”，他总结道。