新聞說的「先進封裝」是什麼？晶片為什麼要並排、疊起來

新聞常說的「先進封裝」，就是把好幾顆晶片包在同一個封裝裡，讓它們靠得很近、接得很密，用起來像一顆大晶片。做法主要有兩種：並排放在一塊有很細線路的薄片上，或直接疊起來。要說清楚，得先從傳統的封裝說起。

傳統的封裝是怎麼做的？

晶片在晶圓上做好之後，要切開、裝進一個外殼，才能焊上電路板，這叫封裝（封裝是什麼那一篇講過）。傳統的做法，大多是一顆晶片包一個殼。好幾顆晶片要一起工作，就各自包好、焊在電路板上，靠電路板上的線互相傳資料。

先進封裝不一樣：好幾顆晶片先放在一起、接在一起，最後才一起包成一顆零件。

為什麼不乾脆做一顆大晶片？

把所有東西都做在同一顆晶片上，晶片就會很大，而大晶片有兩個麻煩。

第一，大晶片的良率比較低。晶圓上總會落下一些小到看不見的缺陷，砸中哪一顆，哪一顆就壞了。晶片越大，越容易被砸中（新聞說的「良率」那一篇用烤餅乾講過）。

第二，大晶片有尺寸上限。曝光機一次只能印一格，一格的大小是固定的。最大的晶片，已經做到差不多一整格那麼大，再大，一格就印不下了。

拆成幾小塊，好在哪？

用假設的數字算算看。一片晶圓上放得下 40 顆大晶片。這一片落下 10 個缺陷，最多毀掉 10 顆，至少剩 30 顆好的。

如果把每一顆大晶片拆成 4 塊一樣的小塊，同一片晶圓就有 160 塊。同樣 10 個缺陷，最多毀掉 10 塊，至少剩 150 塊好的；每 4 塊拼成一組，拼得出 37 組。同一片晶圓，能用的從 30 顆變成 37 組。

這些小塊，就是新聞說的小晶片（chiplet）：把一顆大晶片拆成幾塊，各自做、各自測過，再拼起來。真實的情況比這複雜：拆開之後要多留接線的地方，封裝也更難，所以不是每一種晶片都值得拆。

每一代越來越貴，跟它有什麼關係？

新一代的製程，一代比一代難做、也更貴（新聞說的「2 奈米」那一篇講過）。可是一顆晶片上，不是每個部分都需要最新的一代。例如負責跟外面溝通、處理類比訊號的那幾塊，用新一代做，也小不了多少。

拆成小晶片之後，最需要的那一塊（例如負責運算的）用最新一代做，其他塊用舊幾代、便宜又穩定的作法做，再包在一起。錢花在最需要的地方。

晶片之間的路，為什麼要更短、更寬？

兩顆晶片各自包好、焊在電路板上，資料要先走出外殼、經過電路板上幾公分長的線，再走進另一顆。這條路長，能並排走的線也不多，像兩座城市之間只有一條很長的鄉間小路。

包在同一個封裝裡，晶片之間只隔一點點，中間能拉的線又細又多，像換成一條很短、有很多線道的高速公路。路短，資料跑得快，也比較省電；線道多，一次就送得多。

晶片要怎麼並排、怎麼疊？

並排放在中介層上：2.5D

把幾顆晶片並排，放在一塊叫中介層的薄片上。中介層常用一片矽來做，因為可以用做晶片的方法，在上面畫出比電路板細很多的線，把相鄰的晶片密密地接起來。晶片翻過來，用很小的凸塊焊上去，跟封裝那一篇說的覆晶一樣；中介層再把訊號往下接到底板。

業界叫它 2.5D：晶片沒有疊起來，但底下多墊了一層，介於平放和疊起來之間。

直接疊起來：3D

另一種做法，是把晶片一層一層疊起來。上下兩層要怎麼接？在矽上挖出很細的孔、填進金屬，讓訊號直接穿過晶片，上下接通。這種孔叫矽穿孔（TSV），比頭髮還細很多。

疊起來，路最短，也最省地方。代價是更難做：晶片要磨得很薄，夾在中間的那一層，熱也比較難散出去。

AI 晶片旁邊常放著幾疊記憶體，就是好幾層記憶體晶片疊在一起、用矽穿孔接通，叫高頻寬記憶體（HBM）。它是什麼、為什麼 AI 特別需要，之後另寫一篇。

為什麼新聞說它是 AI 晶片的關鍵？

AI 要算的東西非常多，資料要在運算的晶片和記憶體之間不停來回。最大的晶片已經到了一格的上限，想再放進更多運算、更多記憶體，就得把好幾顆晶片包在一起，而且靠得夠近、接得夠密。所以 AI 晶片常是運算的晶片旁邊並排幾疊記憶體，一起放在中介層上：2.5D 和 3D 都用上了。有政府的先進封裝研發計畫就直接寫：近年 AI 的進展，沒有先進封裝就做不到。

為什麼又常說產能不夠？

新聞常說先進封裝「產能吃緊」。用一般的說法：AI 晶片的需求這幾年一下子變大很多，高階的 AI 晶片大多要走這種封裝。這種封裝步驟多，有些步驟要在矽上畫線、挖孔，用的機台和作法比較像晶圓廠；新的產線要蓋、要調到穩定，都要時間。所以有時候晶片做得出來，卻卡在封裝這一關。也因為有些步驟像晶圓廠的工作，先進封裝不只封測廠在做，晶圓廠也在做。

它也很怕出錯：一個封裝裡的晶片都很貴，只要其中一塊是壞的、或某一處沒接好，整組就一起浪費掉。所以每一塊在拼起來之前都要先測過（針測）。

下次看到新聞，可以這樣讀

• 「先進封裝產能吃緊」：能把好幾顆晶片包在一起的產線不夠用。AI 晶片可能卡在這一關，不一定是晶片本身做不出來。
• 「採用小晶片（chiplet）設計」：這顆晶片其實是好幾塊拼起來的，各自做、各自測過，再包在一起。
• 「2.5D、3D 封裝」：2.5D 是並排放在中介層上；3D 是直接疊起來，用穿過矽的細孔接通。
• 「異質整合」：把分開做好、各不相同的晶片（功能不同，甚至用不同代的作法做），有時連同其他小零件，包進同一個封裝裡。

在 fab24hr 裡

主線「晶片的一生」的第三幕，在封測廠。第 11 章「球掀起來了」，淑惠姐帶你走一遍封裝線：遊戲裡的助聽器晶片「螢火」，裝的是 SiP 模組，一塊小底板上有晶片，旁邊還有幾顆電阻、電容；先打件、黏晶，再打線、封膠。這也是把不只一樣東西包在一起，但模組裡只有一顆晶片，用打線接出去；並排在中介層上、或疊起來的晶片，遊戲裡沒有。遊戲裡的公司、晶片、人物都是虛構的；先進封裝是什麼、為什麼要做，照公開的一般資料寫，文中的數字是假設的。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。