根据Yole最新发布的《2024年先进封装状况》报告，预计2023-2029年先进封装市场的复合年增长率将达到11%，市场规模将扩大至695亿美元。提到晶圓代工，台積電絕對是首屈一指的行業「領頭羊」。
提到晶圓代工，台積電(TSM.US)絕對是首屈一指的行業「領頭羊」。
而如今，隨着摩爾定律放緩、AI浪潮推動，先進封裝作爲提升芯片性能的關鍵技術路徑，正被進一步推至半導體行業的前沿。
根據Yole最新發布的《2024年先進封裝狀況》報告，預計2023-2029年先進封裝市場的複合年增長率將達到11%，市場規模將擴大至695億美元。
市場潛力之下，前後道頭部廠商紛紛搶灘，積極投資先進封裝技術。
在這個過程中，我們可以明顯觀察到，傳統封測廠(OSAT)在市場競爭中逐漸處於一定的落後位置，許多原本專注於代工的企業也開始進軍先進封裝市場，從台積電的CoWoS，到英特爾的EMIB，再到三星的X-Cube，各類2.5D與3D封裝陸續湧現並走向成熟，在封裝這片藍海中，掀起了猶如千帆競逐的熱潮。
其中，台積電逐漸逼近先進封裝市場首位。
近日，研究機構ALETHEIA斷言，台積電不僅是先進製程領頭羊，先進封裝明年也將起飛，有望成爲最大封裝服務供應商，堪稱半導體產業獨一無二的存在。
得益於Chiplet架構加速採用，驅動2.5D/3D封裝技術進展，台積電2026年先進封裝產能將是2023年的十倍，2027年更會達到2023年的15倍。
可以預見，如今後摩爾時代，先進封裝備受資本與產業矚目。台積電作爲執牛耳者，更是在大力入局先進封裝，技術創新、產能迭代異常活躍。
台積電，引領先進封裝市場
回顧過去多年發展歷程能看到，台積電推出了支持先進封裝和開啓異構集成新時代的技術戰略。
早在2008年，台積電便成立集成互連與封裝技術整合部門(IIPD)入局先進封裝。
彼時，在金融危機的背景和影響下，台積電陷入了經營虧損、被迫減薪裁員的困境。與此同時，28nm製程工藝環節，研發成本快速提升;台積電同時還面臨三星、英特爾、格芯以及聯電的強力挑戰。
內憂外患下，張忠謀重新出山執掌台積電，同時請回已經退休的蔣尚義掌舵研發，開發先進封裝技術進行差異化競爭。
近年來，台積電每年資本開支中約10%投入先進封裝、測試、光罩等，目前已形成2.5D封裝CoWoS、扇出型封裝InFO和3D封裝SoIC等技術陣列。
筆者在《代工巨頭「血拼」先進封裝》一文中曾有過介紹：2011年，台積電帶來了第一個產品——CoWoS，正是台積電獨霸全球先進封裝領域的祕密武器之一。
CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)是一種2.5D的整合生產技術，由CoW和WoS組合而來：CoW就是將芯片堆疊在晶圓上(Chip-on-Wafer)，而WoS就是基板上的晶圓(Wafer-on-Substrate)，整合成CoWoS。
台積電CoWoS結構示意圖
據悉，這是蔣尚義在2006年提出的構想。
CoWoS的核心是將不同的芯片堆疊在同一片硅中介層實現多顆芯片互聯。在硅中介層中，台積電使用微凸塊(μBmps)、硅穿孔(TSV)等技術，代替傳統引線鍵合用於裸片間連接，大大提高了互聯密度以及數據傳輸帶寬。
CoWoS技術實現了提高系統性能、降低功耗、縮小封裝尺寸的目標，從而也使台積電在後續的封裝技術保持領先。這也是目前火熱的HBM內存、Chiplet等主要的封裝技術。
根據不同的中介層(interposer)，台積電「CoWoS」封裝技術分爲三種類型：
CoWoS_S：使用Si襯底作爲中介層。該類型是2011年開發的第一個「CoWoS」技術，在過去，「CoWoS」是指以硅基板作爲中介層的先進封裝技術;
CoWoS_R：它使用重新佈線層(RDL)作爲中介層;
CoWoS_L：它使用小芯片(Chiplet)和RDL作爲中介層，結合了CoWoS-S和InFO技術的優點，具有靈活的集成性。
台積電通過早期的技術積累和大量成功案例，CoWoS封裝技術目前已迭代到了第5代。
CoWoS 封裝技術的路線圖
然而，如今火熱的CoWoS在剛推出時一度處境尷尬。
由於價格昂貴，台積電CoWoS封裝只得到了FPGA大廠賽靈思的訂單，這也是台積電先進封裝項目組在2012年收到的唯一訂單。
對此，台積電決定給CoWoS做「減法」，開發出了廉價版的CoWoS技術，即InFO技術。
InFO封裝把CoWoS封裝中的硅中介層換成了polyamide film材料，從而降低了單位成本和封裝高度。這兩項都是InFO技術在移動應用和HPC市場成功的重要標準。
得益於InFO技術的推出，當年蘋果的iPhone7、iPhone 7Plus處理器，採用的便是InFO封裝技術。這也成爲台積電後來能獨佔蘋果A系列處理器訂單的關鍵因素。
而真正引爆CoWoS封裝的產品是AI芯片。2016 年，英偉達推出首款採用CoWoS封裝的GPU芯片GP100，爲全球AI熱潮拉開序幕;2017年Google、英特爾產品相繼交由台積電代工，採用CoWoS封裝。
至此，因成本高昂而坐冷板凳多年的CoWoS技術迎來新局面，產能也相繼擴充。
此外，台積電還公佈了創新的系統整合單芯片多芯片3D堆疊技術——SoIC。
SoIC是一種基於台積電的CoWoS與多晶圓堆疊(WoW)封裝技術開發的新一代多芯片堆疊技術，這兩種方案在混合和匹配不同的芯片功能、尺寸和技術節點時提供了出色的設計靈活性。
SoIC的推出也標誌着台積電已具備直接爲客戶生產3D IC的能力。相較2.5D封裝方案，SoIC的凸塊密度更高，傳輸速度更快，功耗更低。
2020年，台積電宣佈將其2.5D和3D封裝產品合併爲一個全面的品牌3DFabric，進一步將製程工藝和封裝技術深度整合，以加強競爭力。
爲了使所有這些封裝技術在整個生態系統中發揮作用，台積電在2022年成立了3DFabric聯盟，與包含EDA、IP、DCA/VCA、內存、OSAT、基板、測試7個環節的頭部企業開展合作，旨在將其自有的封裝技術標準化，以便提前搶佔未來市場的主導地位。該組織還推動整個3Dfabric堆棧的工具、流程、IP 和互操作性的 3DIC 開發。
台積電先進封裝技術，持續升級
在前不久的北美技術研討會上，台積電詳細介紹了其半導體和芯片封裝技術的未來路線圖。
CoWoS技術迭代趨勢
首先是CoWoS封裝技術，當前的CoWoS迭代支持中介層(硅基層)的尺寸高達光刻中使用的典型光掩模的3.3倍。預計到2026年，台積電的「CoWoS_L」將使其尺寸增加到大約5.5倍的掩模尺寸，爲更大的邏輯芯片和多達12個HBM內存堆棧留出空間。而僅僅一年後的2027年，CoWoS將擴展到8倍掩模版尺寸甚至更大。
在近日的專題演講上，台積電高效能封裝整合處處長侯上勇表示，作爲能滿足所有條件的最佳解決方案，台積電的先進封裝重點會從CoWoS-S 逐步轉移至CoWoS-L，並稱CoWoS-L 是未來藍圖關鍵技術。
由於頂部晶片(Top Die)成本非常高，CoWoS-L是比CoWoS-R、CoWoS-S更能滿足所有條件的最佳解決方案，且因爲具有靈活性，可在其中介層實現異質整合，會有其專精的尺寸與功能。CoWoS-L可兼容於各式各樣的高效能頂級芯片，例如先進邏輯、SoIC和HBM。
SoIC演進路線圖
針對SoIC-X(無凸塊)封裝技術，台積電預計，到2027年，SoIC-X技術將從目前的9μm凸塊間距一路縮小到3μm間距，將A16和N2芯片組合堆疊在一起，改進的混合鍵合技術旨在讓台積電的大型HPC客戶(AMD、博通、英特爾、NVIDIA等)能夠爲要求苛刻的應用構建大型、超密集的分解式處理器設計，大大提高組裝芯片的帶寬密度和產品性能。
此外，除了針對需要極高性能的設備開發無凸塊SoIC-X封裝技術外，台積電還將在不久的將來推出凸塊SoIC-P封裝工藝。SoIC-P專爲更便宜的低性能應用而設計，這些應用仍需要3D堆疊，但不需要無凸塊銅對銅TSV連接帶來的額外性能和複雜性。這種封裝技術將使更廣泛的公司能夠利用SoIC，雖然台積電不能代表其客戶的計劃，但更便宜的技術版本可能會使其適用於更注重成本的消費者應用。
根據台積電目前的計劃，2025年將提供正面對背面 (F2B) 凸塊SoIC-P技術，該技術能夠將0.2光罩大小的N3(3納米級)頂部芯片與N4(4納米級)底部芯片配對，並使用25μm間距微凸塊 (µbump) 進行連接。2027年，台積電將推出正面對背面(F2F)凸塊SoIC-P技術，該技術能夠將N2頂部芯片放置在間距爲16μm的N3底部芯片上。
爲了讓SoIC在芯片開發商中更受歡迎、更容易獲得，還有很多工作要做，包括繼續改進其芯片到芯片接口。但台積電似乎對行業採用SoIC非常樂觀，預計到2026-2027年將發佈約30種SoIC設計。
台積電強調，3D IC是將AI芯片存儲器與邏輯芯片集成的關鍵方法。預估2030年全球半導體市場將成爲萬億產業，其中HPC與AI爲關鍵驅動力，佔比達40%，這也讓AI芯片成爲3D IC封裝的關鍵驅動力。
光電封裝，台積電的下一個目標
在大力發展傳統電封裝的時候，光也成爲了台積電的關注點。
在今年的技術研討會上，台積電還透露了「3D Optical Engine」戰略，旨在將閃電般快速的光學互連集成到其客戶設計中。隨着帶寬需求的激增，銅線逐漸無法滿足前沿數據中心和HPC工作負載的需求，利用集成硅光子學的光學鏈路可提供更高的吞吐量和更低的功耗。
據了解，台積電正在開發緊湊型通用光子引擎 (COUP) 技術，以支持AI熱潮帶來的數據傳輸爆炸式增長。COUPE使用SoIC-X芯片堆疊技術將電子芯片堆疊在光子芯片之上，從而在芯片間接口處提供最低阻抗，並且比傳統堆疊方法具有更高的能效。
台積電計劃在2025年使COUPE獲得小型可插拔器件的認證，隨後在2026年將其作爲共封裝光學器件(CPO)集成到CoWoS封裝中，將光學連接直接引入封裝中。
從其路線規劃圖中能看到，台積電第一代產品以1.6Tbps的速度插入標準光纖端口，是目前高端以太網的兩倍;第二代產品通過將COUPE與處理器一起集成到台積電的CoWoS封裝中，將速度提升至6.4Tbps;路線圖的最終成果是CoWoS「COUPE中介層」設計，其光纖帶寬達到驚人的12.8Tbps。
目前，光學元件、硅光子元件還在比較初期的百花齊放階段，隨着AI時代需要的巨量運算、數據傳輸大量需求，耗能成爲重要議題，硅光子元件的導入成爲數據中心重要趨勢。
此外，台積電還正在推進扇出式面板級封裝(FOPLP)工藝，目前已經成立了專門的研發團隊和生產線，只是目前仍處於起步階段，相關成果可能會在3年內問世。魏哲家還表示未來英偉達和AMD等HPC客戶可能會採用下一代先進封裝技術，用玻璃基板取代現有材料。
總的來看，台積電正在加碼進軍先進封測領域，其中一個關鍵原因在於希望能延伸自己的先進製程技術，通過製造高階CPU、GPU、FPGA芯片，並提供相應的封測流程，提供完整的「製造+封測」解決方案。
正如台積電董事長兼總裁魏哲家提出的「晶圓代工2.0」概念，即不僅包括傳統的晶圓製造，還涵蓋了封裝、測試、光罩製作等環節，以及IDM(不包括存儲芯片)。晶圓代工的界線逐漸模糊，因此擴大了定義。但台積電將專注於最先進後段封測技術，以幫助客戶製造前瞻性產品。
先進封裝產能供不應求，台積電加速擴產
隨着AI需求全面引爆，台積電CoWoS產能自2023年起面臨持續緊缺。台積電總裁魏哲家今年7月表示CoWoS需求「非常強勁」，爲應對強勁的客戶需求，台積電正火速擴充先進封裝產能。台積電將在2024年和2025年均實現產能至少翻倍，目標是在2025至2026年間實現供需的基本平衡，並計劃在未來幾年內繼續加大投入，以確保產能的進一步擴充來滿足市場需求。
業界預計，今年底台積電CoWoS月產能上看4.5萬~5萬片，較2023年的1.5萬片呈現倍數增長，2025年底CoWoS月產能更將攀上5萬片新高峰。
目前臺積電共有五座先進封測廠，分別位於竹科、中科、南科、龍潭與竹南。其中竹南的AP6於2023年6月正式啓用，爲台積電首座實現3D Fabric整合前段至後段製程以及測試的全自動化工廠，經過了一年的運營，已成爲中國臺灣最大的CoWoS封裝基地。
這一擴產計劃不僅體現在產能的翻倍上，還涉及多個新工廠的投入使用。2023年8月，台積電斥資171.4億新臺幣購買了群創南科4廠(AP8廠區)，預計明年下半年投產。該廠房預計未來的封裝產能將是台積電竹南先進封裝廠的9倍，供應鏈認爲未來先進製程的晶圓代工、扇出型封裝以及3D IC等產線都有可能會進駐。台積電此次收購群創南科4廠，主要是爲了避免冗長的環評步驟，預計只需進行廠內改裝，便可於明年正式投入生產。
除此之外，台積電還在嘉義科學園區建設2座CoWoS先進封裝廠，規劃中的兩座封裝廠預計在2028年開始量產，主要以系統整合單芯片(SoIC)爲主。
值得一提的是，台積電不僅在臺灣擴產，還在全球範圍內尋找合適的建廠地點，甚至考慮在日本和美國建設先進封裝廠。
近日有消息披露，台積電和芯片封裝公司Amkor宣佈，兩家公司已簽署了一份諒解備忘錄，將在美國亞利桑那州合作進行芯片生產、封裝和測試。台積電將利用這些服務來支持其客戶，特別是那些使用台積電在鳳凰城先進晶圓製造設施的客戶。
此外，台積電還將與委外OSAT持續合作佈局先進封裝，以滿足客戶需求。
與此同時，CoWoS並不是台積電希望快速擴大產能的唯一先進封裝技術生產線。該公司還擁有集成芯片系統 (SoIC) 3D堆疊技術，該技術的採用率有望在未來幾年內不斷增長。爲了滿足對其 SoIC 封裝方法的需求，台積電將在2026年底之前以100%的複合年增長率擴大SoIC產能。
該產能計劃從2023年底的約2000片月產能，在2024年底躍升至4000-5000片，並有望在2025年突破8000片，2026年再翻倍。由於大廠全數包下產能，台積電相關產能利用率將維持高檔水平。
目前臺積電SoIC技術已在竹南六廠(AP6)進入量產階段，台積電還規劃在嘉義先進封測七廠(AP7)分階段擴建，不僅包括CoWoS技術，也涵蓋SoIC。
上述一系列舉動背後，體現出台積電積極應對市場需求的決心和策略。
從市場角度來看，台積電的新動作預示着它在全球半導體產業鏈中的重要性。隨着技術的不斷演進，競爭對手如三星、英特爾等也在加大對先進封裝技術的投資。這使得台積電必須不斷創新，以保持市場的領先地位。通過對新工廠的佈局，台積電可以快速提高市場份額，特別是在當前對高性能芯片需求激增的趨勢下。
台積電的兩把「利劍」
後摩爾時代，先進封裝獲重視，芯片封裝測試隨着半導體產業發展重要性日漸提升。
Yole強調，先進封裝供應鏈正在經歷顯著轉型。OSAT正在擴大其測試能力，而純測試公司正在投資封裝和組裝。代工廠正在進入封裝領域，對傳統OSAT構成競爭威脅。來自不同背景的參與者正在進入市場。
不同商業模式的企業都在同一個高端封裝市場空間展開競爭。但是不同業態的廠商，在封裝業務方面投入的資源也有所不同，技術發展路線也存在差異。
針對代工廠來講，由於2.5D/3D封裝技術中涉及前道工序的延續，晶圓代工廠對前道製程非常了解，對整體佈線的架構有更深刻的理解，走的是芯片製造+封裝高度融合的路線。因此，在高密度的先進封裝方面，Foundry比傳統OSAT廠更具優勢。
回顧台積電的迅速佈局與目標，台積電的集成商業模式，結合前端製造與先進封裝能力，正在成爲行業的基準，將直接影響未來的市場格局。
ALETHEIA估計，台積電2026年來自封裝事業的營收將會達到驚人的250億美元，不只比2023年成長3.5～4倍，更超越所有成熟製程的總和，並與4、5納米制程規模旗鼓相當，屆時將貢獻全年營收近2成比重。若進一步將台積電針對先進製程與CoWoS漲價考慮進來，台積電2026年營收上看1400億美元，足足是2023年的2倍，獲利部分更是2023年的近2.5倍。
再就半導體晶圓代工產業來看，目前完全沒看到AI減速的跡象，反而在2/3/5納米制程昂揚趨勢與CoWoS擴產帶動下，對臺積電後市依然樂觀。
正如文章開頭所言：「台積電不僅是先進製程領頭羊，先進封裝明年也將起飛，有望成爲最大封裝服務供應商，堪稱半導體產業獨一無二的存在。」
本文轉載自「 半導體行業觀察」;智通財經編輯：李佛。
