對于中國大陸而言,半導體依然屬于朝陽產(chǎn)業(yè),但從全球視角來看,該行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到很成熟的階段,也經(jīng)常有業(yè)界人士表示,半導體已經(jīng)是夕陽產(chǎn)業(yè),從越來越激烈的競爭態(tài)勢來看,這種說法不無道理。
當下,中國大陸半導體產(chǎn)業(yè),特別是IC設計和封裝測試,由于參與者眾多,競爭不斷加劇,但整體發(fā)展水平還不高,因此,在這兩個領域,中低端產(chǎn)品和服務“內(nèi)卷”嚴重,要想突破這個怪圈,必須向高端方向發(fā)展。與此同時,國際大廠,無論是IC設計,晶圓代工,還是封裝測試,則開始在中高端產(chǎn)品和服務方面加劇競爭,特別是在目前全球經(jīng)濟不景氣的時段,半導體產(chǎn)品需求疲弱,國際大廠在高精尖技術(shù)領域的“內(nèi)卷”也在加劇,封裝就是典型代表,因為封裝測試是半導體芯片生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié),其技術(shù)含量相對于晶圓代工要低一些,因此,國際大廠在這部分的“內(nèi)卷”更明顯,且已經(jīng)從傳統(tǒng)封裝技術(shù),延續(xù)到先進封裝。
先進封裝簡介
與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比,先進封裝具有小型化、輕薄化、高密度、低功耗和功能融合等優(yōu)點,不僅可以提升性能、拓展功能、優(yōu)化形態(tài),相比系統(tǒng)級芯片(SoC),還可以降低成本。
傳統(tǒng)封裝技術(shù)主要包括直插型封裝、表面貼裝、針柵陣列(PGA)等,當然,它們下面還有細分技術(shù)種類,這里就不贅述了。先進封裝技術(shù)則可以分為兩個發(fā)展階段:首先是以球柵陣列、倒裝芯片(Flip-Chip, FC)為代表的技術(shù),它們已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段;其次是以先進系統(tǒng)級封裝(SiP)、晶圓級封裝(WLP)為代表的技術(shù),由傳統(tǒng)的二維走向三維封裝,目前,這類技術(shù)最為先進,且處于成長期,還沒有完全成熟。本文主要討論的就是這些還沒有完全成熟的先進封裝技術(shù)。
SiP是一個非常寬泛的概念,廣義上看,它囊括了幾乎所有多芯片封裝技術(shù),但就最先進SiP封裝技術(shù)而言,主要包括 2.5D/3D Fan-out(扇出)、Embedded、2.5D/3D Integration,以及異構(gòu)Chiplet封裝技術(shù)。
晶圓級封裝分為扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)。扇入型封裝直接在原硅片上完成,是在原芯片尺寸內(nèi)部將所需要的 I/O排列完成,封裝尺寸基本等于芯片尺寸;扇出型封裝是扇入型的改良版本,制程與扇入型基本一致,不同之處在于其并不是在原始硅片上做,而是將芯片切割下來,然后重組晶圓,這樣做的目的是制造扇出區(qū)的空間。
2.5D/3D Fan-out 由扇出型晶圓級封裝技術(shù)發(fā)展而來,其I/O數(shù)多達數(shù)千個,是目前最先進的封裝技術(shù),廣泛應用于移動設備,特別是智能手機。
據(jù)Yole統(tǒng)計,2021年先進封裝市場規(guī)模為374億美元,預計2027年之前,將以9.6%的復合年增長率(CAGR)增長至650億美元。
目前,廣義層面的先進封裝市場,倒裝(Flip-chip)的規(guī)模最大,占據(jù)著80%的先進封裝市場份額,其次是晶圓級扇入和扇出型封裝,而晶圓級封裝相對于整體先進封裝市場規(guī)模還比較小,主要受制于先進制程工藝掌握在少數(shù)幾家廠商手中,但從增長幅度和發(fā)展?jié)摿砜矗?D堆疊/ Embedded /晶圓級扇出型是發(fā)展最快的三大封裝技術(shù)。
到2027年,預計2D/3D封裝市場規(guī)模將達到150億美元,扇出型WLP約為40億美元,扇入型約為30億美元,Embedded 約為2億美元。與傳統(tǒng)封裝相比,先進封裝的應用范圍不斷擴大,預計到2027年將占整個封裝市場的50%以上。
不同業(yè)態(tài)廠商的發(fā)展路線
近些年,除了傳統(tǒng)委外封測代工廠(OSAT)之外,晶圓代工廠(Foundry)、IDM也在大力發(fā)展先進封裝或相關(guān)技術(shù),甚至有IC設計公司(Fabless)和OEM也參與其中。
不同業(yè)態(tài)的廠商,其在封裝業(yè)務方面投入的資源也有所不同,技術(shù)發(fā)展路線也存在差異??傮w而言,最具代表性的企業(yè)包括四家,分別是臺積電、日月光、英特爾和三星電子,其中,臺積電和三星電子是Foundry,英特爾是IDM,日月光是OSAT。
由于在發(fā)展先進封裝技術(shù)和業(yè)務方面具有前瞻性,再經(jīng)過多年積累和發(fā)展,目前,臺積電已成為先進封裝技術(shù)的引領者,相繼推出了基板上晶圓上的芯片(Chip on Wafer on Substrate, CoWoS)封裝、整合扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封裝、系統(tǒng)整合芯片(System on Integrated Chips, SoIC)等。英特爾則緊追其后,推出了EMIB、Foveros和Co-EMIB等先進封裝技術(shù),力圖通過2.5D、3D和埋入式3種異構(gòu)集成形式實現(xiàn)互連帶寬倍增與功耗減半的目標。三星電子相對落后一些,為了追趕臺積電,前些年推出了扇出型面板級封裝(Fan-Out Panel Level Package, FOPLP)技術(shù),在大面積的扇出型封裝上進一步降低封裝體的剖面高度、增強互連帶寬、壓縮單位面積成本,目的是取得更高的性價比。
Foundry方面,由于2.5D/3D封裝技術(shù)中涉及前道工序的延續(xù),晶圓代工廠對前道制程非常了解,對整體布線的架構(gòu)有更深刻的理解,因此,在高密度封裝方面,F(xiàn)oundry比傳統(tǒng)OSAT廠更具優(yōu)勢。另外,F(xiàn)oundry更擅長扇出型封裝,在這方面的投入更多,主要原因是扇出型封裝的I/O數(shù)量更多,而且定制化程度較高,從發(fā)展情勢來看,傳統(tǒng)OSAT廠在扇出型封裝方面將會受到較大沖擊,未來的市場份額越來越小。Yole預計到2024年,F(xiàn)oundry將會占據(jù)71%的扇出型封裝市場,而OSAT的市場份額將會降至19%。
以臺積電為例,2020年,該公司將其SoIC、InFO、CoWoS等3DIC技術(shù),整合命名為TSMC 3D Fabric,進一步將制程工藝和封裝技術(shù)深度整合,以加強競爭力。
臺積電用于手機AP的InFO封裝技術(shù),是幾乎不使用封裝載板的InFO_PoP(Package-on-Package),與OSAT以載板技術(shù)為基礎的FC-PoP分庭抗禮。
最先進封裝技術(shù)多用于手機芯片,如應用處理器AP。在手機AP封裝結(jié)構(gòu)組成中,下層為邏輯IC,上層為DRAM,若采用InFO_PoP技術(shù),芯片客戶必須先采購DRAM,但因為DRAM有類似期貨的價格走勢,加上晶圓級Fan-out成本高昂,近年來,雖然InFO_PoP已經(jīng)發(fā)展到第七代,實際有量產(chǎn)訂單的,還是以蘋果AP為主。
考慮到DRAM的采購成本,臺積電推出了僅有下層邏輯IC封裝部分的InFO_B(Bottom only)衍生技術(shù),據(jù)了解,聯(lián)發(fā)科等對于此技術(shù)興趣濃厚,畢竟,手機AP兼顧效能、功耗、體積、散熱等的發(fā)展趨勢未變,或許Fan-out技術(shù)正是抗衡高通,追趕蘋果的關(guān)鍵。
一線IC設計公司曾指出,手機芯片廠商雖然有導入Fan-out等先進封裝技術(shù)的意愿,但產(chǎn)線會先鎖定少數(shù)頂級旗艦級AP,同時會優(yōu)先考慮最具量產(chǎn)經(jīng)驗的Foundry。日月光、Amkor、長電等OSAT廠,強項是需求量龐大的載板型FC封裝技術(shù),即便是4nm、3nm制程,F(xiàn)C封裝仍是具有性價比優(yōu)勢的首選。但是,IC設計公司需要更多的差異化產(chǎn)品和服務,在IC設計公司取得先進制程產(chǎn)能后,進入后段封裝流程,市面上唯一具有手機AP Fan-out封裝大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗的,只有臺積電。
三星方面,先進封裝技術(shù)相對臺積電起步較晚,三星原本想以扇出型面板級封裝(FOPLP)技術(shù)搶奪手機AP市場份額,然而,三星一直未能很好地解決FOPLP的翹曲等問題,同時,F(xiàn)OPLP封裝的芯片精度無法與晶圓級封裝相比,使得良率和成本難題無法得到改善。目前,采用FOPLP量產(chǎn)的芯片仍然以智能穿戴設備應用為主,還無法在智能手機等要求更高的應用實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。
面對并不成功的FOPLP,三星于2020年推出了3D堆疊技術(shù)“X-Cube”,2021年還對外宣稱正在開發(fā)“3.5D封裝”技術(shù)。
為了在先進封裝技術(shù)方面追趕競爭對手,2022年6月,三星DS事業(yè)部成立了半導體封裝工作組(TF),該部門直接隸屬于DS事業(yè)本部CEO。
作為IDM,英特爾也在積極布局2.5D/3D封裝,其封裝產(chǎn)品量產(chǎn)時間晚于臺積電。英特爾2.5D封裝的代表技術(shù)是EMIB,可以對標臺積電的CoWoS技術(shù),3D封裝技術(shù)Foveros對標臺積電的InFO。不過,目前及可預見的未來一段時期內(nèi),英特爾的封裝技術(shù)主要用在自家產(chǎn)品上,對市場造成的影響較小。
與Foundry、IDM相比,傳統(tǒng)OSAT在多功能性基板整合組件方面(比如 SiP 封裝)占據(jù)優(yōu)勢,其市場份額也更大。另外,OSAT擅長扇入型封裝,仍將是市場的主要玩家。
相對于Foundry的SiP封裝技術(shù),OSAT廠(日月光等)的優(yōu)勢在于異構(gòu)集成,例如蘋果手表S系列高密度整合了各種有源和無源器件,相關(guān)技術(shù)多用于射頻、基站、車用電子等領域的多種器件集成。而Foundry對該領域的布局意愿不大,主要精力放在了高性能計算、高端傳感所需的高難度、高密度封裝工藝上。因此,對于OSAT來說,異構(gòu)SiP封裝是一個穩(wěn)定的增量市場。據(jù)Yole統(tǒng)計,2020年,OSAT占據(jù)60%的SiP市場份額,而Foundry和IDM分別占據(jù)14%和25%。
結(jié)語
對于國際大廠而言,傳統(tǒng)封裝技術(shù)已經(jīng)被淹沒在“紅?!敝?,沒有什么投資價值了。而隨著先進制程工藝發(fā)展與摩爾定律越來越不匹配,退而求其次,需要在先進封裝工藝方面下功夫,這是市場應用發(fā)展提出的需求。因此,國際大廠,特別是在先進制程工藝方面處于行業(yè)領先地位的廠商,無論是Foundry,還是IDM,都開始在最先進封裝領域投下重注,以求在先進制程+先進封裝融合方面形成護城河,以在未來的競爭中占據(jù)更有利的位置。
在發(fā)展最先進封裝技術(shù)的道路上,不同業(yè)態(tài)廠商所選擇的路線也有所不同。
傳統(tǒng)OSAT沒有芯片制造的前道工序,其封裝技術(shù)對與制程工藝的融合和匹配度要求不高,因此,OSAT仍以多芯片的SiP封裝為主要發(fā)展方向。
Foundry則與OSAT正相反,需要發(fā)揮其前道芯片先進制造工藝的優(yōu)勢,走的是芯片制造+封裝高度融合的路線。
IDM則介于Foundry和OSAT之間,更加平衡,無論是晶圓級封裝,還是先進SiP,在IDM那里都有較為廣闊的用武之地。而就目前情況來看,在與先進制程工藝(10nm以下)匹配的先進封裝技術(shù)方面,能夠駕馭并愿意投入重注的IDM僅有英特爾一家。由于外售份額非常有限,與頭部Foundry和OSAT相比,英特爾發(fā)展最先進封裝技術(shù)以“自娛自樂”為主,未來能否有拓展,就要看該公司晶圓代工業(yè)務的發(fā)展情況了。
作者:暢秋