在過(guò)去的六十年，摩爾定律（Moore’s Law）是晶體管尺寸縮小、晶體管集成和降低成本的驅(qū)動(dòng)力。但是電子系統(tǒng)，比如智能手機(jī)、無(wú)人駕駛汽車(chē)、類人機(jī)器人，則不僅僅包含晶體管和ICs。ICs摩爾定律（Moore’s Law for ICs）將電子信息產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)成長(zhǎng)為萬(wàn)億美元產(chǎn)業(yè)，但是ICs摩爾定律（包括約每?jī)赡昃驮黾泳�體管集成度、降低成本）由于量子隧穿效應(yīng)等因素，即將到達(dá)物理極限。因此，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）的Rao R. Tummala教授認(rèn)為，封裝摩爾定律（Moore’s Law for Packaging）在短期內(nèi)，至少于降低成本方面，將會(huì)替代ICs摩爾定律（Moore’s Law for ICs）。降低晶體管尺寸（即晶體管縮放比例）以及它們的互連和集成度是ICs摩爾定律的基礎(chǔ)；而有源、無(wú)源系統(tǒng)元件的尺寸減小，及其互連和集成度增加，亦可成為封裝摩爾定律的基石。

               ICs摩爾定律預(yù)測(cè)了每18-24個(gè)月晶體管數(shù)量增加一倍（圖1a），與此同時(shí)成本也隨之降低。因此，Prof. Tummala提出封裝摩爾定律趨勢(shì)也類似。其中，互連由計(jì)算系統(tǒng)（邏輯和存儲(chǔ)器）驅(qū)動(dòng)。模擬人腦的人工智能時(shí)代的到來(lái)，也是封裝摩爾定律的另一驅(qū)動(dòng)力。

               目前，封裝摩爾定律最先進(jìn)的是基于晶圓的硅封裝（Silicon Packaging）。但是硅基封裝有著諸多限制，如材料、基體、互連及系統(tǒng)。在材料層面，Si基封裝的電損耗和介電常數(shù)很高。在互連層面，Si基封裝的電容和電阻很大，導(dǎo)致RC延遲較大。此外，Si基封裝的在成本層面上與摩爾定律不兼容，而成本對(duì)于ICs摩爾定律而言是定律延續(xù)的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)層面，與ICs完美兼容的Si中介層（Si-Interposer）與基板（Boards）完全不兼容，需要額外的封裝，因此使得系統(tǒng)級(jí)互連長(zhǎng)度增加。

        圖1 （a）ICs摩爾定律 （b）晶體管柵長(zhǎng)與制造成本的關(guān)系

               在過(guò)去60年，ICs摩爾定律被事實(shí)證明是精準(zhǔn)的，且被作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的R&D目標(biāo)。但是，在晶體管尺寸減小方面，由于量子效應(yīng)，當(dāng)減小至分子級(jí)尺寸時(shí)，電子隧穿效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致短路。這是ICs摩爾定律的極限，被稱之為“摩爾定律終結(jié)的開(kāi)始”（下一個(gè)10年內(nèi)即將發(fā)生）。在成本方面，摩爾第二定律指出，在給定尺寸的晶片上，隨著節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間每單位面積晶體管的數(shù)量的增長(zhǎng)，每個(gè)晶體管的制造成本會(huì)下降。而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已得出結(jié)論是，當(dāng)晶體管柵長(zhǎng)低于14nm時(shí)，單個(gè)晶體管的制造成本鮮有降低，反而隨著柵長(zhǎng)繼續(xù)減小而有所增長(zhǎng)（圖1b）。

封裝摩爾定律：互連密度 or I/Os密度？

               封裝摩爾定律的概念（圖2a）可以從1960年代后期出現(xiàn)的雙列直插式（DIP）封裝形式開(kāi)始解釋：DIP的I/Os數(shù)<16，隨后出現(xiàn)的外圍四方扁平封裝（QFP）的I/Os數(shù)達(dá)到64-304，而后在1980和1990年代，陶瓷封裝的I/Os數(shù)已經(jīng)分別達(dá)到了121和1000。但是這個(gè)時(shí)期的陶瓷封裝有諸多限制，如厚膜粘貼技術(shù)中100μm的線寬和過(guò)孔，限制了I/Os數(shù)的繼續(xù)增加。此外，陶瓷的高介電常數(shù)和低電導(dǎo)率（共燒金屬如W，Mo或Ag-Pd）也限制了陶瓷封裝的性能，雖然后期出現(xiàn)的LTCC技術(shù)部分地解決了這些局限性，特別是在頂部制作了類似于重布線層（Redistribution Layer，RDL）的薄膜布線。這些局限性促進(jìn)了有機(jī)層壓封裝的發(fā)展，包括薄膜材料積層及工藝技術(shù)，可以使I/Os數(shù)超過(guò)5000。當(dāng)前，大幅提高I/Os數(shù)的唯一辦法是基于晶圓的硅封裝，其I/Os可達(dá)到200,000個(gè)。

        圖2 （a）I/Os封裝摩爾定律（b）封裝類型演進(jìn)伴隨著單位面積成本降低

封裝摩爾定律：成本

              與ICs摩爾定律類似，成本對(duì)于封裝摩爾定律也是一個(gè)重要因素。圖2b展示了各個(gè)封裝類型節(jié)點(diǎn)演進(jìn)伴隨著單位面積成本的降低趨勢(shì)（1980-2020），其中唯一的例外是硅中介層，其成本是封裝摩爾定律預(yù)測(cè)值的3-5倍，而佐治亞理工學(xué)院和其工業(yè)合作方共同研發(fā)的玻璃面板封裝（Glass Panel Packaging）的成本是符合封裝摩爾定律預(yù)測(cè)趨勢(shì)的。

2010年后出現(xiàn)的兩種封裝形式：硅封裝互連（Silicon Package Interconnections）及嵌入式封裝互連（Embedded Package Interconnections）。

               硅封裝是最先進(jìn)的多芯片封裝，I/Os數(shù)可達(dá)200,000個(gè)，延續(xù)了IBM在1990年代的”100-chip”的多芯片陶瓷封裝的概念，沿用了同樣的功率分配、信號(hào)傳輸、芯片背面散熱、倒裝芯片組裝技術(shù)。除此之外，還新開(kāi)發(fā)了兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：硅通孔（TSV）和RDL。博世（Bosch）在高帶寬存儲(chǔ)產(chǎn)品中的TSV制造工藝將TSV與硅中介層的整合度提升到了相當(dāng)成熟的水平。RDLs是后段制程BEOL（Back End of Line）工藝前身的重組；與有機(jī)封裝或陶瓷封裝相比，BEOL的制造設(shè)備是Si中介層能實(shí)現(xiàn)高I/Os數(shù)的重要因素。

               目前，Intel在EMIB （Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）中采用了2μm線寬的Si中介層，而AMD的HBM（High Bandwidth Memory）中的GPU（Graphics Processing Unit）則是采用了1μm線寬，Xilinx在其FPGA（Field Programmable Gate Array）應(yīng)用中的線寬<0.5μm。AMD對(duì)外宣稱其Radeon Fury器件的GPU裸片（尺寸596 mm2）的I/Os達(dá)到了190,000個(gè)，與Xilinx在其Virtex-7 2000T FPGA產(chǎn)品中的I/Os數(shù)處于相同數(shù)量級(jí)。

               嵌入式封裝意味著芯片是嵌入/埋入到封裝體或板內(nèi)，且嵌入的ICs之間的互連則可通過(guò)晶圓BEOL工具或封裝工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3a展示了從晶圓級(jí)（WLP）、芯片級(jí)封裝（CSP）到晶圓級(jí)扇出型封裝（WLFO，如eWLB、InFO）、面板級(jí)封裝（PLP）技術(shù)的I/Os演變進(jìn)程。英飛凌（Infineon）是第一家推出面向射頻和模擬應(yīng)用的晶圓扇出封裝（Wafer Fan-Out，WFO）的公司，而臺(tái)積電TSMC于2016年為Apple iPhone 7引入了首個(gè)大批量嵌入式晶圓扇出封裝（eWFO），即集成型扇出（InFO），見(jiàn)圖3b；當(dāng)前InFO中約1cm2面積的應(yīng)用處理器中凸點(diǎn)間距（Bump Pitch）為80μm。

圖3 （a）從晶圓級(jí)封裝（WLP）到面板級(jí)封裝（PLP）的I/Os演化趨勢(shì)

（b）臺(tái)積電TSMC在iPhone 7中的eWFO封裝

               WFO封裝的I/Os數(shù)和終端應(yīng)用場(chǎng)合都在增長(zhǎng)，但是也存在著一系列的技術(shù)限制，如裸片放置精度、裸片位置漂移、塑封化合物收縮、晶圓翹曲、大尺寸封裝的板級(jí)可靠性、多芯片的可修復(fù)性、散熱、>15mm尺寸封裝的高成本等。面板扇出（Panel-Fanout）技術(shù)的開(kāi)發(fā)就是為了在有機(jī)、無(wú)機(jī)層壓板的層面上解決上述部分技術(shù)限制，比如佐治亞理工學(xué)院推出的玻璃面板嵌入（Glass Panel Embedding，GPE）技術(shù)及三星的iCube技術(shù)。

封裝摩爾定律的未來(lái)

        1、擴(kuò)展Si封裝互連；

        2、開(kāi)發(fā)大面板、低電容和低電阻的無(wú)機(jī)玻璃面板嵌入式（GPE）封裝；

        3、開(kāi)發(fā)無(wú)需塑封化合物和組裝的面板嵌入技術(shù)；

        4、發(fā)展光電互連技術(shù)。
5、大力發(fā)展TGV（玻璃通孔技術(shù)）、TCV（陶瓷通孔技術(shù)）等互聯(lián)技術(shù)