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半导体封装市场的真实情况

2020-09-04
作者:蒋思莹
来源:半导体行业观察

  伴随着5GAI时代的到来,新的应用场景催生了对高效能芯片的需求。但此时,摩尔定律的发展已经逐渐逼近了物理极限,在这种情况下,业界将目光转向了封装领域

  封装领域是我国半导体产业链中发展最成熟的环节,自80年代中期,封装已经成为我国半导体供应链中的关键环节。在过去的十年中,伴随着电子产品生产制造在中国的快速增长,我国的封装市场也得以在此期间成长了起来。

  根据拓墣产业研究院发布的报告显示,按照营收业绩来看,长电科技位列2020年第一季度全球前十大封测业厂商中的第三位,同样也是中国大陆地区封测领域的龙头。

  作为我国封测领域极具代表性的厂商之一,长电科技眼中的封装市场到底是个怎样的市场?

  SiP已成为差异化创新的平台

  在2020世界半导体大会期间,长电科技技术市场副总裁包旭升以《微系统集成封装开拓差异化技术创新新领域》为主题进行了演讲。其中他提到了一个重要观点,即SiP已成为了差异化创新的平台。

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  包旭升认为,终端性能及元件数量的提升使SiP成为最佳选择,尤其是在5G 时代所需要的元件数量增加的情况下,SiP成为了微系统小型化的有效方案。从技术角度来看,SiP是将一些中段流程技术带入后段制程,将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整体整合。采用这种封装方式可以有效地缩小封装体积以节省空间,同时缩短元件间的连接线路而使电阻降低,提升电性效果,最终实现微小封装体取代大片电路载板,有效地缩小了产品的体积,顺应了产品轻薄化的趋势。

  摩尔定律的演进则是另一个推动SiP(Chiplet)向前发展的因素。摩尔定律与SoC发展遇到技术与成本的挑战,而性能、成本、空间则是SiP封测技术的优势,这也使的SiP(Chiplet)将延续摩尔定律。基于此,包旭升先生个人做出了一个大胆的预测,他认为,行业将从关注单芯片晶体管数量转化为关注SiP封装的晶体管数量或者整体算力(数字类)。

  从目前SiP发展的情况中看,由于终端应用市场的需求不同,也使得这种封装发展出了很多种封装形态——除了2D与3D的封装结构外,还可以采用多功能性基板整合组件的方式。正是由于不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使得SiP的封装形态呈现出了多样化的组合,这种差异化也为各大封装厂商留下很多创新空间,提供了一条新的发展方向。

  从长电科技的布局中看,其目前重点发展的是封装技术包括,SiP封装(包括应用于5G FEM的SiP)、应用于Chiplet SiP的 2。5D/3D封装以及晶圆级封装。包旭升透露,长电科技还在开发部分应用于汽车电子和大数据存储等发展较快的热门封装类型。

  从实际情况中看,长电科技目前SiP封装以射频模组为主,在通信领域具有较强的实力。今年,长电科技还实现了双面封装SiP产品的量产,助力其在5G时代的发展,同时,这也将推动长电科技的封装技术向消费领域发展。

  包旭升表示:“上述几类封装技术,在通信领域和消费领域有很多相通之处,SiP在这两个领域内均有应用。虽然不同领域还需要在结构、性能、材料,甚至成本等方面做一些调整,但我们只要着力发展好通信领域的技术,便能很好的覆盖到其他市场领域客户的需求。”

  据相关报道显示,受益于国内外重点客户订单需求强劲,长电科技在今年也取得不俗的成绩。在长电科技前不久公布的2020年上半年的财报中显示,公司在今年上半年实现收入人民币 119。8亿元,净利润为人民币 3。7亿元,创五年来同期新高,这也是其深耕先进封测技术成果的另外一种体现。(据长电科技2019年的年报显示,先进封装已成为其营收的主要来源,其先进封装技术包括 SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP及开发中的2。5D/3D 封装等。)

  其他封装技术在新应用的加持下仍存在活力

  除了先进封装外,其他封装技术也依然存在着活力。

  包旭升认为在不同的应用当中,各种封装技术就像一个工具箱里不同的工具一样,不同的封装拿出来去做不同的应用。新技术的产生和应用并不意味着一定要淘汰相对较旧的技术。类似SOT、SOP、QFN 这几种封装在几十年前就出现在了市场当中。虽然大家对它们的关注度不高,但未来的充电桩、手机的快充以及第三代化合物器件所采用的封装技术则会是 TO、SOT、SOP、QFN 等基本技术。当然,这些技术也并不是一成不变,在过去的十几年时间中,这些基本的封装技术也进行了一些改进。

  以SOP为例,长电科技仍在进行有关于SOP的研发。这种封装要达到的水平是,在相同的封装结构下用不同的封装材料。即采用不同的贴片材料以达到不同的性能散热和可靠性等级。包旭升指出:“功率器件里 50% 的性能提升都要依靠封装,而它所用的封装就是 SOP。所以,只要市场应用在高速发展,所需的封装技术就会受到关注并快速发展。”

  第三代化合物材料也是这些基础封装技术的另一大发展机遇。包旭升指出,在新材料出现的同时,封装厂商都在致力于提升封装的性能以发挥材料的特性。所以,封装技术在散热、功率、可靠性方面上的提升,尤其是在电性能方面的提升上,对于第三代半导体的发展来说至关重要。

  老牌封装厂商与新玩家的差异

  我们都知道,目前2.5D和3D封装技术受到了市场的关注,很多晶圆代工厂也加入到了这个赛道中来,这是否会冲击传统封装厂商的业务?

  包旭升表示,新玩家的涌入确实带来一些影响,但这些厂商与传统OSAT厂商还存在着一些差异。他指出,因为在2.5D和3D技术中涉及到许多中道封装(这实际上是前道封装的一种延续),而晶圆厂在前道环节具有技术优势,例如在硅转接板(Si TSV Interposer)封装、3D微凸块micro-bumps,或者Wafer to Wafer高密度连接等方面。而后道封装厂商的优势则在于异质异构的集成。无论是 Interposer 还是 Chiplet,都需要将多个芯片、被动元件、多层基板在后道环节进行集成,而这样的封装工艺难度系数很大。

  后道封装厂在这类难题上,具有一定的技术积累和技术优势。举例来说,长电江阴厂从2008年就开始生产大颗的 FC-BGA 产品,目前其近 80x80mm 的技术已经验证完成了,52.5x52.5mm 的产品已经量产多年。未来,长电科技还将继续开发 70mm, 80mm 以上的产品,目前已经有客户已经就 100x100mm 尺寸的FC-BGA封装技术提出了需求。

  这些研发项目十分具有挑战性,在这个过程中,不仅需要处理硅片,还需要处理好基板、被动元器件、散热盖,TIM胶等元件的集成——需要关注这些元件结构配置、翘曲、材料属性,而且还需要保证99.9%以上的良率。包旭升表示:“良率对于封装技术来说十分关键,进入2.5D/3D 封装领域,如果良率仅能达到 80% 或 90%,则不会赢得市场的青睐。因为购入仅仅一颗 FC-BGA 基板就可能花费上百美金,如果良率低,是很难在市场上存活的。”

  包旭升总结道,晶圆厂在 2.5D和3D技术领域的开发,对OSAT厂商确实有一定影响,因为他们能够利用自身优势,在中道晶圆级环节延续竞争力。但作为封装厂,他们也有在2.5D和3D后道封装领域的经验积累和技术壁垒。因此,当下很难判断输赢。另外,从供应链角度考虑,很多企业不希望将“鸡蛋放在同一个篮子里”,因此,OSAT厂商在2.5D和3D技术领域上仍具有较大的发展空间。

  封装工艺还需要哪些环节的支持

  长电科技将工艺视为是其实现差异化竞争的核心能力,而工艺就必须需要材料、设备等相关产业链的共同发展。

  包旭升在其演讲中提到,协同设计与仿真奠定了封装设计成败。他指出,前道制程PDK模式将扩展到后道,芯片-封装-系统的协同设计仿真已成必然选项。封装结构、设计规则、材料选择、仿真模型是天生良品的关键。因此,伴随着封装工艺的进步,与之相关的设计规则和仿真模型须要依据实测数据持续校正和更新。

  此外,材料也是现代提升封装技术的另外一个重要因素。包旭升在其演讲中提到,封装材料从主攻可靠性(异质材料间的CTE匹配)提升到需要兼顾可靠性和电性能。而金属导线表面粗糙度(Skin Effect)、介电材料介电常数、Via的设计等材料特性则影响着5G封装的电性能。材料对于新型封装,尤其是对涉及到毫米波的封装具有重要意义。他表示:“在这种材料的选择中,我们需要平衡三个因素:可靠性,性能和成本。”

  设备也是封装过程当中十分重要的一部分。我们都知道,现代工厂都逐渐向智能制造方向转型,封装厂商也是如此。在2020世界半导体大会期间,长电科技所展示的一站式集成电路封装测试服务,即采用了高度智能化、自动化的设备。据现场工作人员介绍,用于该流程的智能搬运及产品检测设备就是由长电科技与国内半导体设备厂商们共同研发完成的。

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  封装工艺是材料、设备的综合应用,是实现结构和设计的基石。如果能够打通这些产业链上的问题,国内封装厂商或许能够更上一层楼。

  结语

  封装作为集成电路产业链当中比较靠后的环节,其利润比其他环节低。在利润和市场竞争的双重压力下,只有靠不断地提升核心能力才能获得更大的市场。

  长电科技作为我国封测领域的领先企业,其2019年就将9.69亿元投入到了研发中去,凭借其在在中国、韩国拥有两大研发中心,在中国、韩国及新加坡拥有六大集成电路成品生产基地,长电科技赢得了市场的认可。在今年上半年当中,长电科技利润再创历史新高更是为我国半导体产业的发展打入了一针强“芯”剂。

 

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