半导体先进封装“内卷”升级

IC设计和封装测试这两个领域,中低端产品和服务“内卷”严重,要想突破这个怪圈,必须向高端方向发展。

文|半导体产业纵横

对于中国大陆(内地)而言,半导体依然属于朝阳产业,但从全球视角来看,该行业已经发展到很成熟的阶段,也经常有业界人士表示,半导体已经是夕阳产业,从越来越激烈的竞争态势来看,这种说法不无道理。

当下,中国大陆(内地)半导体产业,特别是IC设计和封装测试,由于参与者众多,竞争不断加剧,但整体发展水平还不高,因此,在这两个领域,中低端产品和服务“内卷”严重,要想突破这个怪圈,必须向高端方向发展。与此同时,国际大厂,无论是IC设计,晶圆代工,还是封装测试,则开始在中高端产品和服务方面加剧竞争,特别是在目前全球经济不景气的时段,半导体产品需求疲弱,国际大厂在高精尖技术领域的“内卷”也在加剧,封装就是典型代表,因为封装测试是半导体芯片生产的最后一个环节,其技术含量相对于晶圆代工要低一些,因此,国际大厂在这部分的“内卷”更明显,且已经从传统封装技术,延续到先进封装。

01、先进封装简介

与传统封装技术相比,先进封装具有小型化、轻薄化、高密度、低功耗和功能融合等优点,不仅可以提升性能、拓展功能、优化形态,相比系统级芯片(SoC),还可以降低成本。

传统封装技术主要包括直插型封装、表面贴装、针栅阵列(PGA)等,当然,它们下面还有细分技术种类,这里就不赘述了。先进封装技术则可以分为两个发展阶段:首先是以球栅阵列、倒装芯片(Flip-Chip, FC)为代表的技术,它们已经发展到比较成熟的阶段;其次是以先进系统级封装(SiP)、晶圆级封装(WLP)为代表的技术,由传统的二维走向三维封装,目前,这类技术最为先进,且处于成长期,还没有完全成熟。本文主要讨论的就是这些还没有完全成熟的先进封装技术。

SiP是一个非常宽泛的概念,广义上看,它囊括了几乎所有多芯片封装技术,但就最先进SiP封装技术而言,主要包括 2.5D/3D Fan-out(扇出)、Embedded、2.5D/3D Integration,以及异构Chiplet封装技术。

晶圆级封装分为扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)。扇入型封装直接在原硅片上完成,是在原芯片尺寸内部将所需要的 I/O排列完成,封装尺寸基本等于芯片尺寸;扇出型封装是扇入型的改良版本,制程与扇入型基本一致,不同之处在于其并不是在原始硅片上做,而是将芯片切割下来,然后重组晶圆,这样做的目的是制造扇出区的空间。

2.5D/3D Fan-out 由扇出型晶圆级封装技术发展而来,其I/O数多达数千个,是目前最先进的封装技术,广泛应用于移动设备,特别是智能手机。

据Yole统计,2021年先进封装市场规模为374亿美元,预计2027年之前,将以9.6%的复合年增长率(CAGR)增长至650亿美元。

目前,广义层面的先进封装市场,倒装(Flip-chip)的规模最大,占据着80%的先进封装市场份额,其次是晶圆级扇入和扇出型封装,而晶圆级封装相对于整体先进封装市场规模还比较小,主要受制于先进制程工艺掌握在少数几家厂商手中,但从增长幅度和发展潜力来看,3D堆叠/ Embedded /晶圆级扇出型是发展最快的三大封装技术。

到2027年,预计2D/3D封装市场规模将达到150亿美元,扇出型WLP约为40亿美元,扇入型约为30亿美元,Embedded 约为2亿美元。与传统封装相比,先进封装的应用范围不断扩大,预计到2027年将占整个封装市场的50%以上。

02、不同业态厂商的发展路线

近些年,除了传统委外封测代工厂(OSAT)之外,晶圆代工厂(Foundry)、IDM也在大力发展先进封装或相关技术,甚至有IC设计公司(Fabless)和OEM也参与其中。

不同业态的厂商,其在封装业务方面投入的资源也有所不同,技术发展路线也存在差异。总体而言,最具代表性的企业包括四家,分别是台积电、日月光、英特尔和三星电子,其中,台积电和三星电子是Foundry,英特尔是IDM,日月光是OSAT。

由于在发展先进封装技术和业务方面具有前瞻性,再经过多年积累和发展,目前,台积电已成为先进封装技术的引领者,相继推出了基板上晶圆上的芯片(Chip on Wafer on Substrate, CoWoS)封装、整合扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封装、系统整合芯片(System on Integrated Chips, SoIC)等。英特尔则紧追其后,推出了EMIB、Foveros和Co-EMIB等先进封装技术,力图通过2.5D、3D和埋入式3种异构集成形式实现互连带宽倍增与功耗减半的目标。三星电子相对落后一些,为了追赶台积电,前些年推出了扇出型面板级封装(Fan-Out Panel Level Package, FOPLP)技术,在大面积的扇出型封装上进一步降低封装体的剖面高度、增强互连带宽、压缩单位面积成本,目的是取得更高的性价比。

Foundry方面,由于2.5D/3D封装技术中涉及前道工序的延续,晶圆代工厂对前道制程非常了解,对整体布线的架构有更深刻的理解,因此,在高密度封装方面,Foundry比传统OSAT厂更具优势。另外,Foundry更擅长扇出型封装,在这方面的投入更多,主要原因是扇出型封装的I/O数量更多,而且定制化程度较高,从发展情势来看,传统OSAT厂在扇出型封装方面将会受到较大冲击,未来的市场份额越来越小。Yole预计到2024年,Foundry将会占据71%的扇出型封装市场,而OSAT的市场份额将会降至19%。

以台积电为例,2020年,该公司将其SoIC、InFO、CoWoS等3DIC技术,整合命名为TSMC 3D Fabric,进一步将制程工艺和封装技术深度整合,以加强竞争力。

台积电用于手机AP的InFO封装技术,是几乎不使用封装载板的InFO_PoP(Package-on-Package),与OSAT以载板技术为基础的FC-PoP分庭抗礼。

最先进封装技术多用于手机芯片,如应用处理器AP。在手机AP封装结构组成中,下层为逻辑IC,上层为DRAM,若采用InFO_PoP技术,芯片客户必须先采购DRAM,但因为DRAM有类似期货的价格走势,加上晶圆级Fan-out成本高昂,近年来,虽然InFO_PoP已经发展到第七代,实际有量产订单的,还是以苹果AP为主。

考虑到DRAM的采购成本,台积电推出了仅有下层逻辑IC封装部分的InFO_B(Bottom only)衍生技术,据了解,联发科等对于此技术兴趣浓厚,毕竟,手机AP兼顾效能、功耗、体积、散热等的发展趋势未变,或许Fan-out技术正是抗衡高通,追赶苹果的关键。

一线IC设计公司曾指出,手机芯片厂商虽然有导入Fan-out等先进封装技术的意愿,但产线会先锁定少数顶级旗舰级AP,同时会优先考虑最具量产经验的Foundry。日月光、Amkor、长电等OSAT厂,强项是需求量庞大的载板型FC封装技术,即便是4nm、3nm制程,FC封装仍是具有性价比优势的首选。但是,IC设计公司需要更多的差异化产品和服务,在IC设计公司取得先进制程产能后,进入后段封装流程,市面上唯一具有手机AP Fan-out封装大规模量产经验的,只有台积电。

三星方面,先进封装技术相对台积电起步较晚,三星原本想以扇出型面板级封装(FOPLP)技术抢夺手机AP市场份额,然而,三星一直未能很好地解决FOPLP的翘曲等问题,同时,FOPLP封装的芯片精度无法与晶圆级封装相比,使得良率和成本难题无法得到改善。目前,采用FOPLP量产的芯片仍然以智能穿戴设备应用为主,还无法在智能手机等要求更高的应用实现规模量产。

面对并不成功的FOPLP,三星于2020年推出了3D堆叠技术“X-Cube”,2021年还对外宣称正在开发“3.5D封装”技术。

为了在先进封装技术方面追赶竞争对手,2022年6月,三星DS事业部成立了半导体封装工作组(TF),该部门直接隶属于DS事业本部CEO。

作为IDM,英特尔也在积极布局2.5D/3D封装,其封装产品量产时间晚于台积电。英特尔2.5D封装的代表技术是EMIB,可以对标台积电的CoWoS技术,3D封装技术Foveros对标台积电的InFO。不过,目前及可预见的未来一段时期内,英特尔的封装技术主要用在自家产品上,对市场造成的影响较小。

与Foundry、IDM相比,传统OSAT在多功能性基板整合组件方面(比如 SiP 封装)占据优势,其市场份额也更大。另外,OSAT擅长扇入型封装,仍将是市场的主要玩家。

相对于Foundry的SiP封装技术,OSAT厂(日月光等)的优势在于异构集成,例如苹果手表S系列高密度整合了各种有源和无源器件,相关技术多用于射频、基站、车用电子等领域的多种器件集成。而Foundry对该领域的布局意愿不大,主要精力放在了高性能计算、高端传感所需的高难度、高密度封装工艺上。因此,对于OSAT来说,异构SiP封装是一个稳定的增量市场。据Yole统计,2020年,OSAT占据60%的SiP市场份额,而Foundry和IDM分别占据14%和25%。

03、结语

对于国际大厂而言,传统封装技术已经被淹没在“红海”之中,没有什么投资价值了。而随着先进制程工艺发展与摩尔定律越来越不匹配,退而求其次,需要在先进封装工艺方面下功夫,这是市场应用发展提出的需求。因此,国际大厂,特别是在先进制程工艺方面处于行业领先地位的厂商,无论是Foundry,还是IDM,都开始在最先进封装领域投下重注,以求在先进制程+先进封装融合方面形成护城河,以在未来的竞争中占据更有利的位置。

在发展最先进封装技术的道路上,不同业态厂商所选择的路线也有所不同。

传统OSAT没有芯片制造的前道工序,其封装技术对与制程工艺的融合和匹配度要求不高,因此,OSAT仍以多芯片的SiP封装为主要发展方向。

Foundry则与OSAT正相反,需要发挥其前道芯片先进制造工艺的优势,走的是芯片制造+封装高度融合的路线。

IDM则介于Foundry和OSAT之间,更加平衡,无论是晶圆级封装,还是先进SiP,在IDM那里都有较为广阔的用武之地。而就目前情况来看,在与先进制程工艺(10nm以下)匹配的先进封装技术方面,能够驾驭并愿意投入重注的IDM仅有英特尔一家。由于外售份额非常有限,与头部Foundry和OSAT相比,英特尔发展最先进封装技术以“自娱自乐”为主,未来能否有拓展,就要看该公司晶圆代工业务的发展情况了。

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