苹果，玩转先进封装

2017年11月21日，时任台积电董事长的张忠谋在台下默默鼓掌，这一天的主角，不是声名赫赫的他，而是此前默默无名的余振华。

接过奖项的他，指了指着一旁记者手中的iPhone说：“这个就有InFO（整合扇出型封装），从iPhone 7就开始了，现在继续在用，iPhone 8、iPhone X，以后别的手机也会开始用这个技术。”

这里提到的InFO，即先进封装中的一种，正是它让台积电轻松吃下iPhone 7中 A10处理器的全部订单，把2015年还在代工A9处理器的三星挤出局，一举奠定了台积电的江湖地位。

依靠着InFO，苹果A10处理器在沿用16nm FinFET工艺的情况下，依旧实现了不俗的性能提升，相较于隔壁用上三星10nm工艺的骁龙835和Exynos 8890也未逊色多少。

而先进封装这把利器，此时借由苹果之手，揭开了它神秘的面纱，向着世人款款而来。

封装，摸着石头过河

苹果与先进封装的故事，可能还得从2007年讲起。

下面这张图是诺基亚N95——一款发售于2007年3月的智能手机的主板，它不仅搭载了强悍的双处理器，还有密密麻麻的模拟芯片，其复杂程度，并不亚于当时任意一款高端笔记本电脑。

同时N95还有三块不同的存储芯片，散布在两颗处理器的周围，光是想要弄清这款手机的硬件架构，就需要花费不少力气，维修起来也是件相当麻烦的事情。

而另外一张主板图来自于2007年发售的手机——初代iPhone，仔细观察后，我们会发现，整个主板的集成度相较于N95更高，各类芯片密密麻麻地排布在一起，彼此间的空隙大大缩短。

更重要的是，我们在这个主板上，只能找到处理器与NAND，在所有手机中都能看到的DRAM却没了踪影，难道说苹果有什么黑科技，能把DRAM丢到副板上？

答案藏在苹果Logo芯片的下方，这颗名为APL0098的SoC，实际上是三星S5L8900的换皮版，它的下方，封装堆叠了两块三星出品的512 MB SDRAM。是的没错，苹果在初代iPhone上就采用了层叠式封装（PoP），将DRAM和SoC集成在了一起。

而这项技术，自然也是出自三星之手，台积电当时也不得不甘拜下风，从初代iPhone到iPhone 5s，所有苹果处理器与封装均由三星单独完成，甚至于苹果A4自研芯片的研发，也在相当程度上受到了三星的影响。

有半导体从业人士评价道，三星是举世唯一可量产存储与处理器，也有自家封测厂的半导体厂，由它承制，整个A7处理器可在“一个屋顶”下完成，在成本、整合度拥有巨大优势，台积电确实难以在短时间内追赶上。

苹果青睐PoP封装也不是没有理由的，与传统封装相比，PoP封装占用较少的基板，而较小的尺寸与较少的重量反过来又减小了电路板面积。而与DRAM较短的互联能实现更快的数据传输速率，且在制造过程的每个环节都能节约成本。

iPhone 5s上的先进封装不过是苹果小试牛刀，苹果真正用好这一利器，还要等到2014年的Apple Watch。

在这一年9月的发布会上，苹果CEO库克在时隔多年后又一次准备了One More Thing，只不过这次的主角是智能穿戴，继iPad之后，苹果又推出了Apple Watch这一全新品类。

发布会上，库克也是大吹特吹了一通，虽然Apple Watch并不是市面上最早的智能手表，但库克仍然把它视作一款革命性的产品。“它不是缩小版的 iPhone，而是一种'直接通过手腕进行通信的创新方式，它的功能远不止这些。”库克在舞台上信誓旦旦。

Apple Watch的诸多先进功能现在看来已经稀疏平常，大部分千元级别的智能手表都可以轻松做到，但它的核心——S1芯片却是其他厂商从未追赶上的。

当拆解机构掀开Apple Watch的屏幕时，映入眼帘的只有一块电池和一颗线性振动马达，驱动手表的处理器却没了踪影，直到掀开电池，印着苹果Logo的封装芯片才得以揭晓。

这块印着S1的芯片被牢牢压在了电池和马达下面，而它采用的封装工艺，正是我们今天津津乐道的SiP（System In a Package，系统级封装）。

拆解显示，SiP封装真正体现了将整个系统进行封装的精髓，在一块26.15 mm x 28.50 mm的主板上，集成了多达14颗左右的核心芯片产品，以及上百个电阻电容等元器件，所有元器件都有各自独立的封装，并紧密有序地排列在主板上，而除了惯性组合传感器外，其他元器件都封装在一起，整个封装的厚度仅为1.16mm。

26.15 mm x 28.50 mm×1.16mm，传统芯片的大小，构成了一个系统，其复杂程度，甚至超越了当年与它一同发售的iPhone 6的主板。

但先进封装的背后，不再是熟悉的三星操刀，苹果把目光抛向了中国台湾。晶圆代工固然是这里远近闻名的优势，台积电就肩负着代工A8芯片的重任，但封装测试作为半导体中极为重要的一环，中国台湾也并不比其他地区逊色多少。

那S1芯片，背后又是谁在出力呢？据媒体报道，S1的SiP基板出自景硕与南电之手，而SiP封装及模组代工则由封测大厂日月光独占，三大供应商因苹果走到了一起，一同为初代Apple Watch的小巧身躯里注入了强大的动力。

PoP加SiP，苹果摸着石头过河，在先进封装上踩出了一条属于自己的路。

强强联合，改变世界

眼看着自初代iPhone以来，先进封装越来越吃香，苹果也开始琢磨起了更高级的封装形式，光是三星的PoP已经难以满足苹果的胃口，更薄的封装已经势在必行。

而代工过A8和部分A9芯片的台积电，拿出了一项苹果无法拒绝的技术——InFO。

事实上，台积电从2009年就已开始布局封装，其中的带头人是蒋尚义，而负责开发的，就是前文中提到的余振华，他一手缔造了今天在AI中正火热的CoWoS。

当时张忠谋对先进封装这个方向极为看好，还专门拨了400个研发工程师给余振华，他也不负众望，在三年后顺利开发出CoWoS技术，即第一代CoWoS技术。

这项2011年发布的技术，首先是被赛灵思的高端FPGA采用。其中Si 中介层的最大尺寸为775mm² （25mm x 31mm），接近一个掩模版的曝光尺寸（26mm x 33mm，在ArF浸入式光刻机的情况下），而FPGA 芯片制造技术是 28 纳米 CMOS 工艺，采用该技术的赛灵思高端FPGA“7V2000T”在“CoWoS_S”中配备了四个FPGA逻辑芯片。

在2014年发布的第二代“CoWoS_S”中，硅中介层扩大到1150mm2，接近1287mm2，这是1.5分划板的曝光面积，在2015年被赛灵思高端FPGA“XCVU440”采用，其采用20 纳米 CMOS 工艺，配备了三块 FPGA 逻辑芯片。

接连两代的CoWoS，都没有翻起太大的风浪，只有赛灵思成为了台积电这项新技术的顾客，这也让开发技术的余振华产生了动摇，“（好像）某人夸下海口，要了大量资源，做了个没什么用的东西。”他在后续的采访中回忆道。

是CoWoS技术还不够好吗？当然不是，理论上利用这项技术的处理器，可以缩减多达70%厚度，对于寸土寸金的半导体来说，这个诱惑不可谓不大。

但打消他们念头的，是CoWoS的成本，有台积电的客户在接洽时表示，这类技术要被接受，价格不能超过每平方毫米1美分，但CoWoS的价格却达到了5倍以上，即使是大公司，难免也会感到肉疼。

为了改变叫好不叫座的局面，台积电的高层决定开发一个每平方毫米1美分的先进封装技术，性能可以比CoWoS略差一些，但是一定要争取到大客户。

这项技术就是首度用在iPhone 7与7Plus的InFO封装，最终成为台积电吃下苹果A10芯片全部订单的关键之所在。

InFO全称为Integrated Fan-Out，意为集成式扇出型封装，重点为集成和扇出型封装。提到InFO封装，首先要先说一下FOWLP（Fan-Out Wafer Level package）封装。传统的WLP在切割前进行封装，虽然减小了封装尺寸，但是使I/O数量受到了限制，为了满足I/O数量增多的需求，FOWLP应运而生。FOWLP使用扇出型技术，通过RDL层，将Die表面的触点扩展到Die的投影面积之外，增加了凸点布置的灵活性以及增多了引脚数量。通常情况下的FOWLP封装的特点为尺寸较小，无基板，塑封封装。InFO封装在某些方面与FOWLP具有相同的特点，而同时又在其上进行了发展。

一般而言，Info封装包含三种类型：InFO_oS、InFO_PoP以及InFO_LSI。而台积电给苹果提供的，就是Info_PoP封装，它的全称为Integrated Fan-out Package on Package，是FOWLP与PoP封装的结合体，它将不同类型的芯片在垂直方向上堆叠在一起，下层为FOWLP封装的芯片，上层为 DRAM 等被动芯片，封装之间通过TIV（Through Info Via）进行电气互联。

与三星提供的PoP封装相比，InFO_PoP不需要硅中介层，允许多个倒装芯片组件被放置在封装基板上，通过封装衬底互连到彼此，不仅缩小了芯片面积与厚度，在价格上也更具竞争力。

据一位曾参与苹果订单的封测厂高层主管回忆，三星算是大意失荆州，当台积电提出InFO时，封装经验更丰富的三星，却以为只要将既有的PoP封装稍微改良，就可达到苹果要求的厚度水准，而事实并非如此。

而InFO技术几经改良，不仅在iPhone上沿用至今，还让Mac产品也受惠。

当苹果在2021年推出20核的M1 Ultra处理器时，它的UltraFusion 2.5 TB/s处理器间互连让世界为之瞩目，而如何做到这一点，也成为了所有半导体行业人士关心的问题。

它的背后，就是Info_PoP的迭代版本——Info_LSI技术。

Info_LSI封装全称Integrated Fan-out_Local Silicon Interconnect，此种封装使用硅桥以

及RDL层代替整块硅，达到了性能与成本的平衡，根据TechInsights的解析，硅桥将两块M1 Max处理器连接在一起，实现了低电阻、低延迟和高带宽，而M1 Ultra也是TechInsights记录的第一个使用 InFO-LSI 技术的设备示例。

先进封装不仅把两颗处理器牢牢地粘合在一起，也在苹果和台积电之间搭建起了一座硅桥，两个巨头携手，掀起了一场关于封装的狂风骤雨。

下一块先进封装芯片

对于苹果来说，满足于现有封装技术似乎是完全不可能的事情，即使是在工艺制程上遥遥领先的台积电，也在5nm节点上停留了许久，直到今年才完成了3nm节点的大规模量产。至于更远的GAA和2nm，短期内肯定难以快速实现。

而苹果作为电子消费产品起家的一家公司，对于性能也有种超乎一般公司的执着，每年一迭代手机里的处理器，性能也必须跟着迭代，而新生的自研芯片版Mac，更是需要在英特尔和AMD的压力下，保持住自己领先的性能功耗。而摩尔定律逐渐失效的今天，台积电的先进封装就成为了苹果压箱底的法宝。

据台媒报道，苹果正小量试产最新的3D小芯片堆叠技术SoIC（单线集成电路小轮廓封装），目前规划采用SoIC搭配InFO的封装方案，预计用于MacBook，最快2025~2026年推出产品。

SoIC又是什么新技术呢？根据台积电在第二十四届年度技术研讨会中的说明，SoIC是一种创新的多芯片堆叠技术，是一种晶圆对晶圆（Wafer-on-wafer）的键合（Bonding）技术，这是一种3D IC制程技术，可以让台积电具备直接为客户生产3D IC的能力。

最让人啧啧称奇的是，SoIC技术是采用硅穿孔（TSV）技术，可以达到无凸起的键合结构，可以把很多不同性质的临近芯片整合在一起，当中最关键、最神秘之处，就在于接合的材料，号称是价值高达十亿美元的机密材料，因此能直接透过微小的孔隙沟通多层的芯片，达成在相同的体积增加多倍以上的性能。简言之，可以持续维持摩尔定律的优势。

台积电赴日本参加VLSI技术及电路研讨会发表技术论文时，也针对SoIC技术发表过论文，表示SoIC解决方案将不同尺寸、制程技术及材料的裸晶堆叠在一起。相较于传统使用微凸块的三维积体电路解决方案，台积电的SoIC的凸块密度与速度高出数倍，同时大幅减少功耗。此外，SoIC能够利用台积电的InFO或CoWoS的后端先进封装技术来整合其他芯片，打造强大的3D×3D系统级解决方案。

有媒体认为，从台积电最初提出的CoWoS技术，到独占苹果代工的InFO技术，下一个让它笑傲于封装行业的，就是SoIC技术。

目前，台积电的SoIC技术已经在竹南六厂（AP6）进入量产，月产能近2000片，预期未来几年将持续翻倍增长，AMD是其首发客户，最新的MI300采用了SoIC搭配CoWoS封装的方案。

基于成本、设计等因素考虑，苹果大概率会采用SoIC搭配InFO的解决方案，或许在M3 Ultra上就能一睹这项技术的实力。

PoP技术带领iPhone杀入智能手机市场，InFO让苹果自研移动芯片走上崛起之路，而SoIC，会让苹果在桌面端芯片上掀起一场新的封装革命吗？

资料来源：

一个“小媳妇部门”为何能让台积电击败三星、独吃苹果？——天下杂志

Apple M1 Ultra Advanced Packaging Innovative packaging architecture using Apple’s UltraFusion.——TechInsights

Apple Watch超强拆解：主板结构及内部传感器工艺深度分析——SITRI

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸琦