先進(jìn)封裝“內(nèi)卷”升級

對于中國大陸而言，半導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)下，中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，特別是IC設(shè)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(lǐng)域，中低端產(chǎn)品和服務(wù)“內(nèi)卷”嚴(yán)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(shè)計，晶圓代工，還是封裝測試，則開始在中高端產(chǎn)品和服務(wù)方面加劇競爭，特別是在目前全球經(jīng)濟(jì)不景氣的時段，半導(dǎo)體產(chǎn)品需求疲弱，國際大廠在高精尖技術(shù)領(lǐng)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(dǎo)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(jìn)封裝。

先進(jìn)封裝簡介

與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比，先進(jìn)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(dāng)然，它們下面還有細(xì)分技術(shù)種類，這里就不贅述了。先進(jìn)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(jìn)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(jìn)，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(jìn)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(jìn)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(dá)數(shù)千個，是目前最先進(jìn)的封裝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備，特別是智能手機(jī)。

據(jù)Yole統(tǒng)計，2021年先進(jìn)封裝市場規(guī)模為374億美元，預(yù)計2027年之前，將以9.6%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長至650億美元。

目前，廣義層面的先進(jìn)封裝市場，倒裝（Flip-chip）的規(guī)模最大，占據(jù)著80%的先進(jìn)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(jìn)封裝市場規(guī)模還比較小，主要受制于先進(jìn)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(yù)計2D/3D封裝市場規(guī)模將達(dá)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(jìn)封裝的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，預(yù)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(jìn)封裝或相關(guān)技術(shù)，甚至有IC設(shè)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(wù)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(jìn)封裝技術(shù)和業(yè)務(wù)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(jìn)封裝技術(shù)的引領(lǐng)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(jìn)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(biāo)。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(jìn)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(yù)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(jìn)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(jī)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(chǔ)的FC-PoP分庭抗禮。

最先進(jìn)封裝技術(shù)多用于手機(jī)芯片，如應(yīng)用處理器AP。在手機(jī)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(jī)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(shè)計公司曾指出，手機(jī)芯片廠商雖然有導(dǎo)入Fan-out等先進(jìn)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(shè)計公司需要更多的差異化產(chǎn)品和服務(wù)，在IC設(shè)計公司取得先進(jìn)制程產(chǎn)能后，進(jìn)入后段封裝流程，市面上唯一具有手機(jī)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(jìn)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(jī)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(shè)備應(yīng)用為主，還無法在智能手機(jī)等要求更高的應(yīng)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(jìn)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(dǎo)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(biāo)臺積電的CoWoS技術(shù)，3D封裝技術(shù)Foveros對標(biāo)臺積電的InFO。不過，目前及可預(yù)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(lǐng)域的多種器件集成。而Foundry對該領(lǐng)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校瑳]有什么投資價值了。而隨著先進(jìn)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(jìn)封裝工藝方面下功夫，這是市場應(yīng)用發(fā)展提出的需求。因此，國際大廠，特別是在先進(jìn)制程工藝方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位的廠商，無論是Foundry，還是IDM，都開始在最先進(jìn)封裝領(lǐng)域投下重注，以求在先進(jìn)制程+先進(jìn)封裝融合方面形成護(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)制程工藝（10nm以下）匹配的先進(jìn)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(jìn)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(wù)的發(fā)展情況了。

作者：暢秋