群雄激战先进封装
2021-07-05
14:01:07
来源: 半导体行业观察
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尽管时序已进入2021年，但半导体产业界知名的「摩尔定律」(Moore's Law)，现阶段仍是主宰全球积体电路应用板块市场、工程制造厂商，不断往前、推进的最主要驱动力。
传统而言，摩尔定律建构于制程微缩技术，随着各家晶圆制造厂(IDM、Foundry)不断向前推进更微缩、更高阶制程的结果，单位芯片面积上的晶体管数量，每二年理应呈现倍增结果；由1965到2021年，共长达66年来推算，电晶体今日的数量应该可以增长达86亿颗，此与苹果(Apple)最新智慧型手机iPhone 12的应用处理器(Application Processor ：AP)—A14，电晶体数量达118亿颗相去不远。
不过，单凭制程微缩，已经无法符合传统摩尔定律所预期的效能提升要求，取而代之的是超越摩尔定律(More than Moore) ，一颗芯片所需考量者，已不再仅止于关注电晶体的关键尺寸与数量，更包含：PPAC四个项目——即Performance(效能)、Power(功耗)、Area(晶片面积)、Cost(价格)。
为了倍增单位IC芯片面积上的晶体管数量，电晶体设计的标准单位高度，因此也跟着微缩制程。在封装制程上，更由传统封装制程，转变成先进的2.5D、3D异质整合封装制程，大大提升晶片效能，但同时，也因此增加封装制程的工艺技术复杂度。
为了让运算资料不须因为频繁地进出微处理器，而浪费了资料传递时间与运作功耗，电脑架构方面则引进了记忆体内运算(in-memory computing；IMC)概念，提升微处理器晶片运算效能。
过去将近半个世纪以来，全球产业界IC逻辑制程的研发历程，由最初的垂直整合制造大厂(IDM)英特尔(Intel)独领风骚；90年代，多家争鸣、竞争白热化，市场竞争同业积极挑战英特尔不可动摇的霸主地位，经过多年的市场竞争、优胜劣败汰除后，近几年最后又定于一尊。
尽管逻辑制程的产业竞争稍有止歇，但另一块更加激烈的竞争战场—开发先进封装技术，多年前早已展开，各家国际晶圆制造大厂(IDM、Foundry)，都有自行研发的制程解决方案，并已陆续实现于旗下高阶代工服务产品中。
例如：英特尔提出的Foveros与嵌入式多芯片互连桥接(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge；EMIB)、韩国三星电子(Samsung)提出的整合式叠层封装(Integrated Package-on-Package；iPOP)与扇出型面板级封装(Fan-Out Panel Level Packaging；FOPLP) & FOPLP-PoP，以及台积电(TSMC，2330)提出的3D Fabric平台(包含SoIC、InFO、CoWoS…等等)。
发展速度逐渐加快的全球「先进封装」市场，正持续吸引着半导体供应链各板块领域巨擘，包括：台积电(TSMC)、英特尔(Intel)、三星(Samsung)、安可(Amkor)、日月光(ASE )等不同领域的半导体巨擘，活跃于该市场，充分把握市场发展价值。先进封装技术目前已经成为半导体产业创新、向前再推进的重要关键，继续推动产业参与者探索新领域，同时也进一步成为弥合IC芯片、PCB之间发展差距的重要关键。
先进封装技术发展，现阶段正从原本的封装基板平台应用，逐渐转移至IC晶片间整合封装的更高阶技术层次，这一产业发展转变，正好为台积电、英特尔、三星等半导体巨擘，提供展示其技术实力的最佳机会平台，同时也助益它们成为全球半导体产业，新世代先进IC封装技术的领先群。特别于开发创新先进封装平台——自原本的扇出型(InFO)封装，到2.5D Si中介层(CoWoS)，直至3D SoIC阶段，台积电已经成为上述几个领域的主导大厂。
先进IC封装制程，目前已成为全球半导体产业持续创新、向前推进发展的重要关键，对于缩短IC芯片、PCB二者间，立体堆叠制程的物理间距，相当重要。
半导体产业正持续开发可应用于微缩技术蓝图、功能蓝图的新世代产品，尽管目前整体市场上，仅剩三家主要、大咖的半导体晶圆制造厂参与者，而且制程微缩步调似已出现放缓迹象，但制程微缩发展蓝图，预料仍可望延续至七纳米以及更高阶先进制程。
就实现功能蓝图的规划目标而言，使用晶圆制造商的异质整合技术，并搭配先进IC封装技术的强力奥援，将因此变得更为重要。确实，先进的半导体IC封装技术，可以透过增加功能性以及持续提高性能，同时透过降低成本的方式，进一步增加半导体产品价值。
就IC芯片制程应用的高阶、低阶市场上，产业界正积极针对消费者需求、性能、专门应用等领域，开发各种多晶片封装，如系统级封装(SiP)、2.5D Si中介层(CoWoS )封装、扇出型(InFO)封装，这些不同封装制程的应用，将可满足与异质IC芯片整合所需具备的相关功能性，以及更快的上市时间等客户下单需求。
就各种先进IC封装技术而言，覆晶封装(flip-chip，FC)于2019年时，约占全球整体市场营收83％比重。但是，预估到2025年时，其市占率将进一步下滑至约77％；但3D堆叠、扇出型封装技术市占率，则将从2015年时成长5％，至2025年时，进一步分别成长达10％、7％。3D堆叠、扇出型封装技术，将持续分别以令市场人士印象深刻的21％、16％速度成长，稳步提高其于各种应用中的获得采用比率。
全球半导体3D IC堆叠市场的成长，主要由3D记忆体——高频宽记忆体(HBM)、3D DDR DRAM、基于2.5D中介层的裸芯片区和异质整合、3D NAND和堆叠型CIS、Foveros、3D SoC等封装技术所带动。
因受惠于不同商业模式新进业者的加入市场，整体扇出型封装市场预料也将有望出现强劲成长。
扇入式晶圆级封装(WLP)技术市场，主要由移动设备应用所主导，2019年至2025年期间，CAGR为3.2％。嵌入式晶片尽管市场规模较小，但预计未来五年内，受惠于电信及基础设施、汽车和行动装置应用市场的同步带动下，CAGR将可达18％。
「SoIC」制程「难度」挑战大台积电表现市场有目共睹
台积电「SoC先进封装制程」，目前应用、下单代工、出货量规模最大的客户、代工产品者，为苹果(Apple)的「A14 Bionic SoC」AP处理器。从Apple所公开的硬件相关资讯内容，以及其它已公开发表的分析技术文章中可以得知，此颗「SoC」主要包含一颗台积电最新5纳米制程节点的应用处理器(A14 Bionic AP) ，以及四颗由韩国三星制造共6GB的LPDDR4X记忆体(K3UHCHC0MM-VGCL RAM)，「SoC封装制程」则采用台积电所开发的「InFO_PoP」先进IC整合封装技术。
2019年第二季时，台积电已领先完成全球首颗「3D IC」封装芯片，当时即预计将于2021年正式量产。
台积电近几年所推出「CoWoS」IC晶片封装架构，以及「整合扇出型」封装制程等，原本就是为了透过IC芯片的堆叠工艺、封装制程，摸索「后摩尔定律」时代的制程推演路线，真正的3D封装制程技术出现后，更进一步强化台积电「垂直整合服务」市场竞争力。
尤其未来「异构芯片」的整合堆叠制程，将会是重要应用趋势。晶圆制造厂将处理器(CPU)、高频记忆体、CMOS 影像感应器、微机电系统、数据芯片等IC芯片封装在一起，有助于提升包含处理器在内的运算模组的运算效率，而先前的IC芯片封装制程技术，只能概称为「2.5D」。
未来，于IC晶片制程封装不同工艺制程的晶片，将会发展成相当大的市场需求规模，使得半导体供应链的上下游串联，更势在必行。所以连原本身为IC晶圆代工厂的台积电，也须积极投入后端的半导体IC封装高阶、先进技术，预计日月光、矽品等原本的封测大厂，也将加速布建3D IC高阶封装制程的技术、产能。
不过，这并不是容易达成、快速量产的IC封装制程技术，需要搭配困难度更高的制作工艺，如硅钻孔(TSV)技术、导电材质填孔、晶圆薄化、晶圆连接及散热支持等，料将因此进入新一轮技术资本竞赛。
截至目前为正，台积电运用硅钻孔(TSV)技术、导电材质填孔、晶圆薄化、晶圆连接及散热支持等高阶、先进「SoIC」封装工艺技术的能力，相当地突出、卓越，也因而成功造就、取得了「SoC先进封装制程」良率&量产规模，领先市场竞争同业的强大优势。
全球半导体供应链的所有参与厂商，目前正大力推动「先进封装(Advanced Packaging；AP)」业务发展。
虽然因为受到COVID-19的影响，造成2020年全球先进封装市场规模，预期将较前一年同期下滑6.8％。不过，Yole半导体、记忆体&运算事业部总监Emilie Jolivet表示，「我们仍非常乐观地坚信这一市场将在2021年反弹，并较同期成长约14％。」
Yole Korea封装、组装&基板事业部总监&首席分析师Santosh Kumar解释：「预计2.5D/3D硅穿孔(TSV) IC、嵌入式芯片(ED)和扇出型(FO)封装市场的CAGR营收成长最快，市占率分别为21.3％、18％、16％。从数位娱乐、远端工作到数字业务规模的迅速扩展，由于COVID-19带来的新用户行为，塑造出更多数据驱动型产品，更进一步加速导入这些产品的脚步。」
例如：网络、移动、汽车领域的FO；资料中心、人工智慧(AI)/机器学习(ML)、CMOS图像传感器(CIS)、高性能运算(HPC)、3D NAND领域中的3D IC堆叠，以及行动和基地台、汽车领域的ED等。
由营收表现角度分析，2019年移动和消费市场，占整体先进封装总营收85％；Yole预估至2025年时，整体市场CAGR，有望达5.5％水准，占整体先进封装市场总营收80％比重。
根据Yole Développement最新调查报告指出，全球「先进封装市场」于2019年至2025年之间，复合平均年成长率(CAGR)为6.6％，预估将带动整体市场营收于此期间，增加达一倍以上。Yole先进封装团队预测，至2025年时，整体市场营收将突破420亿美元，几乎已达传统封装市场预期成长率(2.2％)的三倍之多。
随着台积电进一步扩增「先进封装制程」的产能规模，以满足客户代工需求，同时提高营收实绩。
如此一来，台积电未来进一步增加支出、扩增高阶先进晶圆代工、封装制程产能后，相关「台积电先进封装制程相关供应链」族群股，后市营运可望再获挹注成长动能。
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