堆叠：一种摩尔定律以外的高度集成替代方案

　　摩尔定律的放缓，为满足行业大趋势严格指标要求的新发明开辟了道路。在封装领域，许多半导体厂商倾向于2.5D和3D堆叠技术，而硅通孔（TSV）是最早的堆叠技术之一。经过数年的发展和对MEMS的关注，它最终进入了许多应用领域。如今，2.5D和3D堆叠技术已成为能够满足当前人工智能（AI）和数据中心等应用性能需求的唯一解决方案。堆叠技术已被应用于高、中、低端市场的各种硬件，包括3D堆叠存储、图形处理单元（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和CMOS图像传感器（CIS）等。

　　各种应用中先进堆叠封装技术的市场机遇

　　高带宽存储（HBM）和CMOS图像传感器等硬件占据了TSV市场的大部分营收。堆叠技术整体市场规模将在2023年超过55亿美元，在此期间的复合年增长率（CAGR）可达27%。对于目前来说，消费类市场是最大的细分市场，其市场份额超过了65%。但矛盾的是，这并不意味着消费类市场就是这些技术的主要驱动因素。事实上，高性能计算（HPC）是堆叠技术的真正驱动因素，在2019~2023年期间将呈现最快的增长速度，市场份额预计将从2018年的20%增长到2023年的40%，就封装营收而言，这相当于2018年营收的6倍以上增长。相应的，消费类市场份额将减少，而汽车、医疗和工业等其他市场将维持目前的市场份额。

　　2018~2023年按市场细分的堆叠技术营收

　　从TSV到晶圆级堆叠，封装技术正在蓬勃发展

　　由于堆叠技术竞争主要集中在“TSV”和“无TSV（TSV-less）”之间进行，因此Yole在本报告中针对这两类技术进行了分析。

　　对于目前的高端市场，市场上最流行的2.5D和3D集成技术为3D堆叠存储TSV，以及异构堆叠TSV中介层。Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWos）技术已经广泛用于高性能计算应用，新的TSV技术将于2019年上市，即来自英特尔（Intel）的Foveros（基于“有源”TSV中介层和3D SoC技术，具有混合键合和TSV互连（可能）技术）。Foveros的出现表明，虽然“TSV”受到了来自“无TSV”技术的挑战，但厂商仍然对它很有信心。

　　我们不能忽视“无TSV”技术在市场上的兴起。这些创新可以划分为“带基板型（with substrate）”和“嵌入基板（embedded in substrate）”两组。嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）技术已经商业化，是“嵌入基板”组的一种，其Si桥在基板中较深的位置。其他基板技术也正在开发中，但仍未上市，例如集成薄膜高密度有机封装（I-THOP）和倒装芯片-嵌入式中介层载具（FC-EIC）等。

　　左边是业界标准2.5D封装的芯片，右边是英特尔EMIB封装的芯片

　　图片来源：《英特尔嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）》

　　“带基板型”技术也用于TSV替代，例如基板上集成扇出型封装（InFO），它广泛用于苹果公司（Apple）的处理器。此外，再分配层（RDL）中介层技术目前正在开发中，预计将在2020年上市。最后同样需要注意的是，基板上扇出型芯片（Fan Out Chip on Substrate, FOCoS）于2016年开发并商业化，但似乎订单并不多。

　　堆叠技术赋能的CMOS图像传感器发展路线图

　　混合键合技术可以桥接“TSV”/“无TSV”这两个主要技术类别。这项技术的独特之处在于它可以同时成为TSV技术的挑战者和支持者。自2016年以来，它一直被用于智能手机的CMOS图像传感器，并且在不久的将来，它将作为一种互连解决方案整合存储和2.5D高端市场。

　　2018年“无TSV”堆叠技术概览

　　谁在支持并投资堆叠技术？

　　各类不同的市场参与方都希望在不断增长的55亿美元堆叠市场中占有一席之地，目前主要有四种商业模式在堆叠业务领域参与竞争：代工厂、集成器件制造商（IDM）、外包半导体封测厂商（OSAT）和IP厂商。

　　据麦姆斯咨询介绍，台积电（TSMC）、联华电子（UMC）和格芯（GlobalFoundries）等晶圆代工厂，主导了TSV异构堆叠技术，因为它们有能力自己生产中介层。拥有“Foveros”技术的英特尔，是唯一一个试图在这个领域参与竞争的IDM。

　　对于3D堆叠存储，竞争主要在IDM“三巨头”三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）之间，这些公司将继续统治堆叠存储市场。

　　同时，3D SoC是一种代工技术，很可能只有一家代工厂会生产它，以确保高良率并控制风险。在这方面，台积电在上市时间的竞争中领先于格芯。

　　对于“无TSV”技术，竞争主要存在于代工厂、IDM、OSAT和基板制造商之间。三星、英特尔和台积电等厂商，都参与了“有”和“没有”TSV技术的开发。2016年，OSAT巨头日月光（ASE）向市场引入了FOCoS技术，而安靠（Amkor）等其他厂商也已经开发出了合适的技术，但仍然在等待订单中。

　　日本新光（Shinko）、欣兴电子（Unimicron）以及最近的富士通互连科技（Fujitsu Interconnect）等基板公司，仍然在研发中。IP厂商Xperi的混合键合技术处于“有TSV”和“无TSV”技术之间，预计将对市场产生积极影响。Xperi的另一个优势是其技术兼容高端和中/低端细分市场。

　　代工厂、IDM和IP厂商相比OSAT在堆叠技术方面有优势，因为后者在获得订单方面有困难。

　　主要堆叠技术及厂商概览

　　本报告涉及的部分公司：Alchip, Aledia, Alibaba, Amazon, AMD, Amkor, AMS, ANPEC, Apple, ASE, ASUS, Atos, Audi, Avago, Baidu, Bosch, Bitmain, BitFury, Broadcom, Canaan, Carsem, Cisco, Cray, DARPA, EBANG, EMmicroelectronic, EPworks, Facebook, Faraday, Fingerprints, Foxconn, Fraunhofer, Fujitsu, Gigabyte, GlobalFoundries, Google, GUC, HalongMining, HLMC, HP, Huatian, Huawei, Ibiden, IBM, Icsens, IMEC, Inari Technology, Infineon, Innosilicon, Intel, InvenSense, JCET STATS ChipPAC, Juniper, Lenovo, Leti, Lfoundry, LGinnotek, mCube, Melexis, Memsic, Mercedes-Benz, Micralyne, Micron, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, NXP, Omnivision, ON Semiconductor, OpenSilicon, Osram, PTI, Samsung, SensL, Shinko, SK Hynix, SMIC, Sony, SPIL, STMicroelectronics, Tencent, TF, Toshiba, TPK, TSMC, UMC, Unimicron, Xfab, Xilinx, Xintek, XMC, Xperi, YMTC...