先進封裝技術之爭 | 巨頭手握TSV利刃壟斷HBM市場，中國何時分一杯羹？

文章轉自:屹立芯創公眾號

“TSV是能實現芯片內部上下互聯的技術，可以使多個芯片實現垂直且最短互聯”，AI算力帶動TSV由2.5D向3D深入推進，HBM異軍突起，前道大廠憑借積淀的制造優勢繼續壟斷并瓜分全部的市場份額，在新應用催化下，也為后端封測廠和TSV設備公司帶來了市場機會。

硅通孔

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TSV(Through-Silicon Via)

硅通孔TSV是一種能讓3D封裝遵循摩爾定律演進的互連技術，芯片與芯片之間（Chip to Chip）、芯片與晶圓之間（Chip to Wafer）、晶圓與晶圓之間（Wafer to Wafer）實現完全穿孔的垂直電氣連接，可像三明治一樣堆疊晶片。這些垂直連接可用于互連多個芯片、存儲器、傳感器和其他模塊，硅通孔互連賦予了各種 2.5D/3D封裝應用和架構芯片縱向維度的集成能力，以最低的能耗/性能指標提供極高的性能和功能，以打造更小更快更節能的設備。

·使用TSV，封裝系統沿著Z軸進行延伸拓展，出現了2.5D和3D集成，并演化出CoWoS、HBM、Co-EMIB、HMC、Wide-IO、 Foveros、SoIC、X-Cube、VIPack、3D Matrix、VISionS等技術和平臺。

·使用TSV，通過更薄的硅芯片縮短互連長度和短垂直連接，有助于減少芯片的整體面積和功耗、將信號傳播延遲減少幾個數量級。這些優點使其非常適合用于不同的高速應用，例如數據中心、服務器、圖形處理單元 (GPU)、基于人工智能 (AI) 的處理器和多種無線通信設備。

·使用TSV，能夠實現異構集成。異構集成涉及將來自不同技術和制造商的多個芯片組合到一個封裝中，從而使它們能夠提供更好的功能和性能。TSV通過為相應芯片提供可靠的互連技術來實現這些功能。

TSV

用到前道制造工藝

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TSV技術是 2.5D/3D 封裝的關鍵技術，包括制造商、代工廠、封測代工廠都對 TSV的工藝進行了研究。

TSV工藝包含晶圓的表面清洗、光刻膠圖案化、干法/濕法蝕刻溝槽、氣相沉積、通孔填充、 化學機械拋光等幾種關鍵工藝。運用到晶圓減薄機、掩膜設備、涂膠機、激光打孔機、電鍍設備、濺射臺、***、刻蝕機。硅通孔 (TSV) 的主要工藝類型分為先通孔（Via-first）、中通孔（Via-middle）和后通孔（Via-last），中通孔目前是高級3D IC以及中介層堆棧的熱門選擇。

英特爾、臺積電、三星等晶圓廠商在前道制造環節經驗老道，對前道步驟的TSV技術熟能生巧，因而在2.5D/3D封裝技術上獨領風騷。

TSV

應用領域

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3D TSV封裝市場分為存儲器、邏輯、MEMS 和傳感器以及其他應用。由于人工智能催生對DRAM 和 NAND 等內存應用需要TSV實現高密度封裝。由于TSV高性能需求，處理器和圖形芯片等邏輯應用也受益于TSV封裝。MEMS和傳感器是TSV封裝的另一個不斷增長的應用領域。

TSV是實現3D先進封裝的重要技術，TSV封裝市場由許多主要競爭對手主導，這些競爭對手在2023年以來提高其產品的功能、可靠性和適應性方面取得了重大進展。使用尖端材料和制造方法來增強TSV的性能和耐用性，將電容器和電阻器等無源元件集成到封裝中，以及開發晶圓級封裝和扇出封裝等新型封裝架構。

AI激發巨頭爭霸天下

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臺積電是TSV領域的主導者，其專利涉及TSV制造方法、堆疊3D IC 的TSV設計、與封裝相關的TSV結構等。英特爾和高通的地位接近，其專利涉及用于晶體管密度縮放的TSV、堆疊 IC 的封裝、3D IC 中用于使其無缺陷的TSV測試流程、TSV互連等。

CoWoS是AI芯片的底層技術，是共同封裝HBM和邏輯以獲得訓練和推理工作負載最佳性能的主要方法。CoWoS來自臺積電的2.5D先進封裝技術，核心是在同一片硅中介層實現不同堆疊芯片的互聯。在硅中介層中為提高互聯密度以及數據傳輸帶寬，臺積電使用微凸塊、硅通孔等技術，將裸片連接代替傳統的引線鍵合。

臺積電的下一代先進封裝技術為SoIC，計劃2026年將產能擴大到20倍以上。該技術是自原本SoC演變而來，是一種使用TSV技術將具有各種功能的相鄰芯片結合在無凸塊接合結構中的技術，目前已經實現12層堆疊。2023年3月，AMD一次性推出了三款采用3D垂直緩存（3D V-Cache）技術的Zen 4架構桌面處理器，背后得益SoIC技術支持，作為一種無損芯片堆疊技術，意味著不使用微凸點或焊料來連接兩個芯片，硅通孔可以在沒有任何類型的粘合材料的情況下進行匹配。精于此道，第二代3D V-Cache雖然做了改進，但仍保持最小TSV間距。

2021年特斯拉人工智能日推出了其自研的面向AI專用領域的Dojo D1芯片，特斯拉通過使用臺積電芯片先進封裝技術InFO_SoW，集成25個D1芯片的訓練模塊在人工智能訓練芯片D1上，從而構建出Dojo超算系統的基本單元。如今特斯拉 Dojo 2 芯片正在采取很多措施來緩解內存帶寬限制，使其能夠高效地運行自動駕駛FSD、LLM以及人模人樣的機器人。

2022年3月，“英國的英偉達”Graphcore發布智能處理單元產品Bow，采用臺積電SoIC-WoW混合鍵合技術，背面TSV允許互連至晶圓內層；較上一代性能提升40%，功耗降低16%。

2022年3月蘋果公司推出的M1 ULTRA處理器，通過優化高縱橫比的硅通孔，Ultra Fusion/CoWoS-S5使用重新設計的TSV，優化傳輸特性，以適合高速SerDes傳輸，同時賦予后任產品M2、M2 Max 到M2 Ultra的強大效能。

AMD在高端芯片率先啟用臺積電“SoIC+CoWoS”的封裝服務獲得了不小的收益。致英偉達感到眼紅，開始評估SoIC技術，或在2024年至2025年的產品線更新計劃中采用。臺積電已經將CoWoS、InFO封裝的一些流程，外包給OSAT廠商形成成熟的合作模式。

英偉達是臺積電的深度綁定客戶，在全球對于AI數據中心算力的旺盛需求推動下，英偉達的GPU訂單也在不斷飆升，其A100、H100等AI GPU的產能支持，都來自臺積電的CoWoS封裝。目前，英偉達以及其他云服務提供商（CSP）自研芯片的加單下，試圖通過加大TSV產線來擴增HBM產能。

2020年，三星推出3D封裝技術——X-Cube，基于TSV硅穿孔技術將不同芯片堆疊，已經可以將SRAM芯片堆疊到芯片上方，最大程度上縮短互連長度，在降低功耗的同時能提高傳輸速率。三星新一代產品DDR5 利用TSV技術堆疊了8層16GBDRAM芯片。DDR5 是高性能低功耗的內存，將廣泛應用于大多數的計算場景中，機構預測到2025年后滲透率將超 60%。

AI大模型的數據計算量激增，驅動HBM異軍突起。HBM是由AMD和SK Hynix發起的基于3D堆棧工藝的高性能DRAM，其通過使用TSV硅通孔技術垂直堆疊多個DRAM，并與GPU封裝在一起。HBM通過SIP和TSV技術將數個DRAM裸片像樓層一樣垂直堆疊，可顯著提升數據傳輸速度，適用于高存儲器帶寬需求，成為當前AI GPU存儲單元的理想方案和關鍵部件。早在十年前，SK海力士運用TSV技術開發DRAM，在業界首次成功研發出HBM。隨后，存儲巨頭三星、美光迎頭追趕。目前HBM市場份額SK海力士占據了50%，三星40%，美光10%。機構預測，2023年HBM需求較去年增加99％，2024年將比2023年再增191％！

2021年10月，SK海力士開發出全球首款HBM3，2022年6月量產了HBM3 DRAM芯片。2023年4月，在全球首次實現垂直堆疊12個單品DRAM芯片，成功開發出最高容量24GB的HBM3 DRAM新產品，利用TSV技術將12個比現有芯片薄40%的單品DRAM芯片垂直堆疊，實現了與16GB產品相同的高度，容量較上一代HBM3 DRAM提升50%，并將供貨包括英偉達、AMD、微軟、亞馬遜在內的全球科技巨擘，持續鞏固其市場領導地位。SK海力士也因此賺得盆滿缽滿，數據顯示，2023年SK海力士獨家供應的HBM3價格上漲5倍，是SK海力士旗下最高毛利產品。由于HBM3E需求暴增，SK海力士決定2024年大擴產、采用最先進的10納米等級第五代（1b）技術，多數新增產能將用來生產HBM3E。如今，SK海力士的晶圓級封裝（WLP）業務部門已決定通過公司內部補充后端工藝技術人才，強化TSV硅通孔技術的研發、量產和良率管理。

2023年9月，三星HBM內存通過NVIDIA驗證并同意簽訂供應協議。NVIDIA計劃2024年出貨最高200萬顆H100，這將有力提升當前萎靡不振的業績營收。目前三星已經量產了HBM2E和HBM3，三星正在開發HBM4，預計2025年推出。

2023年6月AMD發布次世代GPU MI300X，搭配的HBM3來自由SK海力士及三星電子的合力供應。

HMC（混合存儲立方體）是美光標準的高端服務器產品，HMC通過3D TSV集成技術把內存控制器集成到DRAM堆疊封裝里以實現更大的內存帶寬。目前美光放棄HMC技術，轉向HBM。2022年11月，美光推出了1βDRAM 技術，可跳過EUV量產。美光指出，1β是全球最先進的DRAM制程節點，使用硅通孔（TSV）技術可實現DRAM芯片的多層堆疊提升模塊容量。2023年7月，美光推出美光 HBM3 Gen 2，稱其內存是世界上速度最快的，具有 1.2 TB/s 的聚合帶寬，8 高堆疊容量為 24GB。未來還有 12 高堆疊版本，容量可達 36GB。

2023年5月三星量產12納米級16Gb DDR5 DRAM， DDR5 利用TSV 技術堆疊了8層16GB DRAM 芯片，DDR5 模塊容量提升至 512GB。2023年9月，三星推出業界最高容量12納米級32Gb DDR5 DRAM并于年底前量產，但這次竟然沒有用TSV生產，邪了。

Foveros是英特爾推出的有源板載技術，實現三維面對面異構集成芯片堆疊，從 3D Foveros 在中介層里有大量的TSV穿孔，負責聯通上下的焊料凸起，讓上層芯片和模塊與系統其他部分通信。并將Foveros技術與EMIB相結合成Co-EMIB使芯片封裝更具彈性。2023年9月英特爾展示了其最新款的酷睿Ultra處理器。Ultra 1 即采用Foveros封裝。

英特爾正在積極投入先進制程研發，并同步強化先進封裝業務。目前正在馬來西亞檳城興建最新的封裝廠，規劃到 2025 年時，其3D Foveros 封裝的產能將增加四倍。

如今TSV正被成功應用于玻璃基板上，與以往相比，新一代處理器將在更小的體積內實現更多的組件，從而提高了設備的緊湊性和性能。這項突破性的技術披露為未來的計算設備和人工智能提供了嶄新的可能性。

2023年6月，英特爾發表了界領先的背面供電解決方案PowerVia，其中技術之一使用TSV進行電源布線。在PowerVia中，芯片的晶體管層中有納米級TSV（Nano TSV）。使用TSV可以讓電力更直接地輸送到晶體管層，避免了必須設計和內置埋入電源軌所需的路由。PowerVia預計將于2024年隨Intel 20A制程節點推出，并致力于在2030年實現在單個封裝中集成一萬億個晶體管，PowerVia對這兩大目標而言都是重要里程碑。

Amkor的TSV技術使最先進的封裝能夠滿足高性能和低能耗的需求。已開發出多種后端技術平臺，以實現對TSV晶圓進行大批量加工和封裝。TSV晶圓工藝始于已形成盲孔TSV的300毫米晶圓。晶圓工藝包括對晶圓進行減薄使TSV露頭，最后以背面 (BS) 金屬化完成TSV互連結構。

除了以上大佬，在TSV技術深耕的企業還有高通、IBM、意法半導體、NXP Semiconductors NV、ASML Holding NV、Dialog Semiconductor plc、索尼、東芝、恩智浦、應用材料公司、Positivo Tecnologia SA、AMS歐司朗、Avianca Holdings SA、Banco Santander、Mercado Libre、FOSiP等。

中國封測廠雄踞一方

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目前，中國地區具備TSV量產能力的封測廠商主要包括日月光、力成科技、長電科技、通富微電、華天科技、晶方科技、蘇州科陽、華進半導體、珠海天成先進半導體。另外還有氣派科技、甬矽電子、廈門云天半導體、頎中科技有儲備硅穿孔技術。

2.5D/3D是日月光VIPack平臺六大技術之一，具有TSV的Si內插器可以用作橋接組件基板和集成電路板之間的精細間距能力差距的平臺。它還有助于保持焊盤間距縮放路徑，而不受組裝基板技術的限制。日月光是2.5D/3D封裝技術的先驅之一，并已成功推出全球首款配備HBM的2.5D IC封裝量產產品。公司控股的矽品精密工業有限公司擁有2.5D/3D 的TSV集成實力。

力成科技3D IC解決方案提供硅通孔 、最后通孔和存儲立方體芯片堆疊，應用于HBM產品和CMOS圖像傳感器。2020年宣布成立專責事業部投入CIS封裝市場，運用既有的直通矽晶穿孔技術發展晶片尺寸晶圓級封裝（WLCSP）。新一代深穿孔技術（Cu-TSV）2024年落地生產。

力成科技擁有完備的MEOL/BEOL全程工藝能力。TSV保形銅填充的良好控制電鍍，RDL能力線/間距：5um / 5um。對于Via Last（VL）工藝，IDM/Foundry將進行FEOL（CMOS）和金屬化，PTI進行u-bump、TSV形成、TSV填充、RDL；即堆疊和組裝過程（BEOL）。對于芯片堆疊工藝，首先通過MEOL工藝完成芯片（TSV、u-bump）的互連，然后通過BEOL工藝完成分割，進一步通過熱壓接合（TCB）進行芯片堆疊。

TSV技術構成華天科技3D Matrix平臺的重要構成。TSV技術，主要結構就是MVP、MVPPlus和直孔的工藝，主要應用于影像傳感器的封裝；eSinC采用TSV通孔實現垂直方向互聯，大大提高了互聯密度和集成度?；ヂ揟SV深寬比可以做到3:1，目前給客戶出樣的3D堆疊封裝共集成5顆芯片，整體封裝厚度小于1mm，該技術的目標應用主要是Al、IoT、5G和處理器等眾多領域。華天科技TSV及FC集成電路封測產業化項目即將全面達產，可年新增高性能集成電路封裝測試48萬片。

通富微電在高性能計算領域建成了2.5D/3D封裝平臺VISionS。晶圓級TSV，利用次微米級 interposer 以TSV將多芯片整合于單一封裝。在存儲器領域，公司多層堆疊NAND Flash及LPDDR封裝實現穩定量產，同時在國內首家完成基于TSV技術的3DS DRAM封裝開發。2.5D/3D生產線建成后,將實現國內在HBM(高帶寬內存)高性能封裝技術領域的突破。

晶方科技是TSV晶圓級芯片尺寸封裝和測試服務的全球領先供應商。率先投資TSV技術，結合創新設計方案選配合適的工藝設備和材料，利用晶圓級硅通過 (TSV) 技術改進電氣性能開發了完整的晶圓級CSP封裝工藝，建立了國內首條300毫米中道TSV規?；慨a生產線, 為2.5D和3D 先進封裝的需求提供解決方案。目前集成電路12英寸TSV及異質集成智能傳感器模塊項目正順利進展。

華進半導體自公司成立之初便集中精力開發TSV技術，并在國內率先實現了12吋硅通孔轉接板的制造；基于此研發成果，華進還重點開發了Via-Las TSV、晶圓級封裝等先進工藝，構建了較為完整的三維系統集成和2.5D全套封裝設計到硅轉接板晶圓制造到2.5D組裝成套一站式解決方案。

蘇州科陽主要采用TSV 3D封裝技術從事CIS 芯片和濾波器芯片的晶圓級封裝服務。目前已發展成為具備年產30億顆芯片的知名晶圓級先進封裝企業，為國內多家頂尖半導體企業國產化提供關鍵解決方案，是全球TSV先進封裝細分領域排名居前的方案提供商。已開建12英寸CIS芯片TSV晶圓級封裝項目，產能6000片/月，預計總投資約4.24億元。

廣東越海集成技術有限公司2022年11月成立運營，12月完成1.65億元。將建設晶圓級封裝生產線、3D傳感器模塊生產線生產線采用分期建設模式，一期項目投資9.8億元，建成12寸TSV封裝產能每月1.3萬片，8寸及兼容4/6寸TSV封裝產能每月2萬片，可服務于快速增長的新能源汽車和自動駕駛等多個領域，加速國產化產業進程。

2023年3月，西安微電子技術研究所12英寸晶圓級TSV立體集成項目在珠海高新區舉行開工儀式項目的開工建設。該項目由西安微電子、時代遠望、中興新、深創投、格金六號幾家共同投資設立，并在4月聯合成立珠海天成先進半導體科技有限公司，規劃投資30億，將3D TSV立體集成作為重要突破方向，打造2.5D/3D產品廣泛應用于高算力處理器、高密度存算等領域。

該項目預計一期達產后可實現年產24萬片TSV晶圓能力，年產值規模超8億元。二期能力擴充后，可實現年產60萬片TSV晶圓能力。項目定位于行業領先的TSV立體集成科研生產基地，技術水平國際先進，產品類型多元化，覆蓋3D TSV立體集成、2.5D系統集成等領域。

盡管大陸封測廠商加速TSV的產業化進程，但在先進封裝全球產業的市場份額占比仍小，在當前風起云涌的HBM市場應用為毫無存在感。目前韓國廠商將全球50%的存儲芯片出口到了中國大陸，95%出口到了中國大陸、中國香港、中國臺灣、越南和菲律賓！中國是全球最大的數據中心芯片市場。英偉達、英特爾、AMD等芯片廠商約50%的收入來自數據中心芯片。這三家主要數據中心芯片在中國大陸地區（含香港）2022年營收占比分別為21.4%、27.2%、22.1%。

中國大陸TSV為代表的2.5D/3D封裝與國外公司的技術差距明顯，仍需加足馬力，產研協同攻克，當務之急的有賴于TSV設備的國產化要與客戶需求同步接軌。同時，需要伴隨2024/2025以后的TSV產能落地后，國內HBM市場將實現初步突破。

國內

TSV

設備供應商

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中微公司是中國最大的半導體等離子體刻蝕設備和化學薄膜設備供應商。Primo TSV?（TSV200E、Primo TSV300E）是中微推出的首款用于高性能硅通孔刻蝕應用的高密度等離子體硅通孔刻蝕設備，均可刻蝕孔徑從低至1微米以下到幾百微米、深度可達幾百微米的孔洞。中微的TSV硅通孔刻蝕機在8英寸和12英寸設備國內市場占有率超過50%，市場份額呈現進一步上升趨勢。當前，新應用包括DRAM 中的高深款比的多晶硅掩膜、12英寸的3D芯片的硅通孔刻蝕工藝（TSV）均已驗證成功。

北方華創是目前國內集成電路高端工藝裝備的先進企業，于2020年推出12英寸先進封裝領域深硅刻蝕機PSE V300，因性能達到國際主流水平，在結構系統方面，PSE V300采用每腔單片設計，在氣流場均勻性等方面工藝表現良好。機臺可同時配置6個腔室，在保證大產能量產方面性能良好。在硅通孔應用方向，在等離子刻蝕機方面還有封裝用的PSE V300Di、HSE D300、HSE P300、BMD P300；物理氣相沉積設備有Polaris Series以及氧化擴散設備和清洗設備。到2023年6月，北方華創12英寸深硅刻蝕機PSE V300累計實現銷售100腔，成為國內TSV量產生產線主力機臺。助力Chiplet TSV工藝發展。經過三年的迭代更新，PSE V300已從最初的2.5D/3D封裝領域，逐漸應用至功率器件、圖像傳感器及微機電系統等眾多領域。

先進封裝***是上海微電子目前的主打產品，國內市場占有率已連續多年第一，主要產品是500系列***(SSB500 40/50) 系列步進投影***主要應用于200mm/300mm集成電路先進封裝領域，可滿足TSV制程的晶圓級光刻工藝需求。2022年上海微電子制造的中國首臺2.5D/3D封裝***下線交付用于高端數據中心的高性能計算芯片和高端AI芯片等高密度異構集成芯片。

芯碁微裝專業從事以微納直寫光刻為技術核心的直接成像設備及直寫光刻設備的研發和生產，在晶圓級封裝領域，公司的 WLP 系列產品可用于 8inch/12inch 集成電路先進封裝領域，涉及到的工藝流程包括垂直布線TSV，在TSV制程工藝中優勢明顯。

盛美半導體設備（上海）致力于先進半導體濕法清洗工藝。應用于晶圓級封裝的電鍍設備Ultra ECP 可填充3d硅通孔TSV?；谑⒚腊雽w電鍍設備的平臺，該設備可為高深寬比（深寬比大于10:1）銅應用提供高性能、無孔洞的鍍銅功能。

同時公司SAPS技術可用于TSV深孔清洗應用。用于CMP研磨后的清洗設備有Ultra C WPN（WIDO）、單片清洗機Ultra C SAPS。擁有兆聲波技術完成TSV晶片的刻蝕后清洗公司還有至純科技、華林科納等。

拓荊科技是國內唯一產業化應用集成電路 PECVD 設備的廠商，公司 12 英寸 PEALD 設備 FT-300T 可沉積 SiO2 和 SiN 材料薄膜，可用于3D TSV先進封裝。

微導納米是以原子層沉積（ALD）技術為核心的高端設備制造商。iTomic HiK系列原子層沉積鍍膜系統適用于TSV介質層。

華海清科主要從事CMP設備和工藝及配套耗材的研發、生產、銷售與服務，獨立自主研制的12英寸化學機械拋光設備順利出貨，主要就是用于TSV化學機械的拋光。2023年5月發售新一代12英寸超精密晶圓減薄機Versatile-GP300。

屹立芯創晶圓級壓膜機，是一款集真空壓膜、精密壓膜和高效貼膜于一體的高性能設備，它的出現，不僅推動了填孔覆膜機技術的進步，更為整個半導體制造領域帶來了新的發展可能。屹立芯創以強大的技術實力和對創新的堅持，正在引領半導體制造領域進入一個全新的時代。

屹立芯創晶圓級真空貼壓膜機制程效果，TSV填覆率可達1：20

審核編輯 黃宇