封测产业的2018：缺货将持续

封测代工业(OSAT)，提供第三方的封装和测试服务，该行业已经整合了一段时间。在销售额提升的同时，封测代工企业的数量却在减少。2017年末，例如，日月光（ASE），世界最大的封测代工厂，在收购矽品(SPIL，全球第四大封测厂)的道路上更进了一步。除此之外，安靠(Amkor)，江阴长电(JCET)和其它的一些封测厂都有进行收购的动作。

随着2017年的完美收官，这对其余的封测厂也同样是一个好兆头。IC封装整体的展望和半导体行业的需求总是捆绑在一起，总体而言，根据VLSI Research的报告，2018年芯片行业预计达到2769亿美元的规模，相比2017年增长7.8%。

这个增长将会比较温和，至少未来几个月是这样。对芯片上升的需求导致了生产产能，各种各样的封装形式、引线框架和设备的不足。尽管如此，封测厂还是根据芯片量的预测高歌猛进地进行投入。

“我们对2018年的态度是既谨慎又乐观，但总体看起来将会是稳定的一年，”星科金朋(STATS ChipPAC)全球产品技术市场副总裁Scott Sikorski说，“封测厂的营收趋向于和芯片的营收相关联，特别是逻辑芯片，你将看到2018年保持高个位数增长的预测，当然，存储器却会是截然不同，和2017年非常相像，除此之外，封测厂将会有一个类似的2018年，也就是在这个高个位数的范围内。”

根据法国里昂证券（CLSA）的分析师Sebastian Hou初步估计，在营收方面，相对2016年，2017年封测代工业预计增长10%到12%。然而，2018年封测代工市场预计会降温至5%到7%的增长，Hou说。

图1: 封测代工业增长率。来源: 法国里昂证券

与过去几年一样，2018年，封测厂将会继续面临一些挑战。首先，他们必须跟上不断前进的行业需求的步伐，第二，他们也必须持续地开发新的先进的产品，由于成本原因，许多芯片制造商正在从传统的，前沿的系统级芯片（system-on-a-chip, SoC）设计，寻找一种可替代方案。获得益处的一种方法是将多个元器件放在同一个先进的封装中，它可以以更低的成本提供一个SoC的功能。

但是，开发这些先进的封装类型，以及前沿的SoC，在每个节点上都变得更具挑战性，这需要巨额投资，且投资回报率有时并不明朗。“当系统变得更普遍时，封装的要求，SoC的要求和系统级封装(system-in-packaging)的要求需要革新。”日月光的COO Tien Wu在最近的一次演讲中说。

先进封装则要比整体的市场发展的快。“如果仅仅关注先进封装的话，2016年达到225亿美元的生意，从2016年到2022年，保持每年7%的增长率。”Yole的分析师Jérôme Azémar说。

从最近的预测来看，KeyBanc Capital Markets预测相比2016年，2017年封测厂的投资降低了2%，达到26.98亿美元，2018年，封测厂的投资预计会达到27.42亿美元，比前一年高4%。

“资本支出从2017到2018年会比较稳定，” TEL的子公司，TEL NEXX的战略商业开发总监Cristina Chu说，“先进的封装，比如2.5D，扇出(fan-out)和SiP将会驱动封装设备的市场。”

其他人也拍手赞成。“在这个环节，我们看到对先进封装的技术和产能的持续的投资，例如扇出晶圆级封装(fan-out wafer-level-packaging)和2.5D，” KLA-Tencor的高级市场总监Stephen Hiebert说，“此外，我们看到中国正在为配合中国前端晶圆厂项目进行强有力的先进封装产能的投资。”

更有甚者，IC封装不再是被单一市场所驱动。“不再是像过去几年围着移动市场一颗独苗苗，我们期待封装设备的生意也会被更多的细分所驱动——5G，人工智能，物联网(loT)，车载以及虚拟现实/增强现实(VR/AR)。” Hiebert说。

还有其它的驱动。“车载行业正热衷于电动汽车，且正在努力开发无人驾驶技术。在机器学习（machine learning）中，这里有许多封装的挑战，趋于更多的输入/输出和密集运算，”星科金鹏的Sikorski说，“最大的意外是，其具有最大的盈利结果，竟然是加密货币的采矿，这已经在晶圆厂和封装世界一石激起千层浪，一发不可收拾。”

比特币和其它加密货币是可交易的，而且交易是记录在一个叫做区块链的安全账本上，然后，一个叫做挖矿机的第三方硬件，用成堆货架排列的专业计算机来运行一种散列的算法，以此来核实处理交易。每一台系统由100到250个专用的芯片(ASIC)组成。

除了市场的驱动之外，封装的客户也需要密切关注封测界的一举一动。以前，有三种实体会提供封装和测试服务——封测代工厂，晶圆厂，以及一站式元器件制造商(integrated device manufacturers， IDM)。

封测代工厂是商业的供应商，根据最新统计，市场上有超过100家不同的封测代工厂，但只有少数能够做大，绝大部分是中小型的企业。

图2: 2017年封测代工厂营收排名（单位：百万美元）。来源：TrendForce

一般来说，IDM只为他们自己的IC开发封装,一些晶圆厂，比如英特尔，三星和台积电，为客户提供一站式芯片封装和测试服务，更多的晶圆厂并不为客户开发芯片封装，取而代之的是，他们甩手把封装的要求丢给封测厂。

无论如何，封装是一项艰难的业务。顾客希望封测厂每年把封装价格降低2%到5%。与此同时，封测厂正在应对研发成本和资本支出的大幅增加。曾经，封装厂可能投资几百万美元建立生产线，而如今，却要为先进的封装花费1亿到2亿美元来建立一条新的生产线，因此，封测厂必须购买一系列新的且昂贵的设备。

封测厂正在投资兴建新工厂，但一般来说，他们没有雄厚的资金来投资于每一项技术，因为他们的利润并不高。因此，封测厂必须谨慎地投入研发资金，以确保回报。“向更新的高端封装解决方案的转变，推动了增加的资本支出，这可能会成为封装厂的挑战。” Lam Research的先进封装副总裁Choon Lee说。

相比之下，英特尔、三星和台积电等财力雄厚的晶圆厂，正将就算不是以十亿计，那也要以数百万计的美元投入到IC封装中。事实上，晶圆厂正在开发和提供先进的封装，这一举动使他们与封测厂也展开了竞争。

总而言之，只有少数几家封测厂能够在先进封装上进行必要的投资。事实上，许多封测厂都在挣扎着能否跟上所有封装类型所要求的投资。

这正成为供应链中令人担忧的一个原因。“下游的半导体供应商，如晶圆基板供应商，甚至是封装厂，并没有真正定期地在继续进行投资。由于持续的高需求，这些较弱的环节现在可能需要一些支持和投资来进行升级和扩张，”UMC美国销售副总裁Walter Ng说，“然而，尽管在许多情况下，需求持续超出供应，但价格压力仍在继续。在不久的将来，将会出现一种新的平衡，即需要进行投资，从而导致更高的价格。”

除了封测厂，Walter Ng还提到了硅片的供应商。在多年的供应过剩之后，硅片供应商看到了强劲的需求。然而，供应商并没有投资新的工厂，其中的许多家反而已经提高了价格。

为了解决IC封装供应链中的问题，许多大型的封测厂正在合并，以整合他们的研发和资源。以下是最近几次大的收购:

• 2015年，国内最大的封测厂，江阴长电收购了新加坡的星科金朋

• 2016年，安靠提高了其在日本最大的封测厂J-devices的股权，从65.7%到100%。2017年，安靠收购了专精于扇出封装的公司Nanium。

• 2017年后期，日月光和矽品这两家公司的合并案获得了所有的反垄断批准。这笔交易将于2018年完成。

尽管进行了整合，但市场上仍有数十家中小型封装厂，他们还有生存的空间吗?

“是的，但当然，业界是不断变化和挑战的。”随着客户基本面的巩固，如何瓜分外包市场这块蛋糕将变得更有挑战性，马来西亚封测厂Unisem北美地区副总裁Gil Chiu说，“有一些中大型的封测厂能够在一些细分市场上为客户提供更好的服务，并不是每一家都能做成巨型封测厂。”

封装市场的一种分类方式是通过导通类型，其包括以下技术:、键合（wire bond）、倒装(flip-chip)、晶圆级封装(WLP)和穿硅通道(TSV)。

根据TechSearch International的研究，目前所有的IC产品，其中有75%到80%仍然使用较老的，被称为键合的导通方式。

该技术开发于上世纪50年代，类似于一种高科技的缝纫机，它可以用细微的金线把一个芯片缝到另一个芯片或基板上。键合主要应用于低成本的传统封装、中端产品和存储器芯片堆叠。

分析人士称，键合封装是一项庞大的业务，每年的营收从130亿美元到150亿美元不等。但由于键合封装是一个成熟的市场，预计2014年至2019年的增长率仅为2.4%。

这就是为什么封测厂正蜂拥进入快速增长的先进封装市场。在先进的封装中，最主要的想法是将多个芯片集成到同一个封装中，以实现一个特定的功能。在同一个封装中集成多个芯片，被归类于称作多芯片集成或多样化集成。

为此，就有了诸多的封装选项。一般来说，没有任何一种单一的封装类型可以包打天下的。与以前一样，客户基于几个因素来选择IC封装类型，如应用、输入/输出量、尺寸以及成本等。

“我们认为不同的终端用户应用会采用不同的先进封装技术，” KLA-Tencor的Hiebert说，“单独一个平台不太可能在诸多的维度上超越所有半导体增长市场。”

与此同时，在高端领域，封测厂提供了2.5D/3D技术，这是一种可以增加元器件带宽的芯片堆叠技术。在2.5D/3D中，穿硅通道会穿过一颗芯片或一颗单独的插入器芯片。根据Yole的数据，从2016年到2022年，2.5 D/3D TSV市场预计将增长28%。

图3: 具有穿硅通道的2.5D 和高带宽的存储器 来源: 三星

“(2.5D/3D)似乎正在起飞，”Global Foundries的首席技术官Gary Patton说, “如果看一下我们在过去的一年里14nm专用芯片设计上取得的成功，其中大约40%的设计都不仅仅是一个晶圆，它们包括了一些先进的封装，比如2.5 D和3D。”

然而，2.5D/3D技术相对昂贵，限制了高端应用的市场。“2.5D将继续在高性能计算和车载领域的缓慢增长，”Amkor的研发和开发副总裁Ron Huemoeller说，“图形是主要的驱动因素，但多逻辑配置也需要2.5D的封装结构来解决人工智能市场的问题。”

一些其他公司正在开发2.5D/3D的替代产品。例如，英特尔正在推广一种名为“嵌入式多芯片互联桥接”(EMIB)的硅桥接技术。在EMIB中，芯片是并排排列的，并用一小块硅进行连接。

SiP则是另一种选择。一般来说，SiP结合了一系列的多个芯片和被动元器件，用以生成一个特定的功能。

每种技术都有自己的位置。“许多封测厂现在都在投资SiP，”TEL NEXX的Chu说, “EMIB肯定会在2018年上市。越来越多的2.5 D将在今年开发出来，不过它将会在像FPGA这样的小众应用中出现。”

图4: 扇入，倒装和扇出的对比 来源：Yole Développement

CSP是一种扇入技术，其中I/O位于焊接球(solder ball)之上。“扇入因为其较小的尺寸而成为越发受欢迎的封装，”星科金朋的Sikorski说，“它扎根于智能手机市场，且仍然是主要的驱动因素。但在物联网应用和可穿戴设备领域，你仍然将会看到扇入数量的增加。”

尽管如此，扇出还是在市场上获得了最多的反响。在扇出中，连接器在产品中被扇出，以便获得更多的I/O。扇出没有插入器，这使它比2.5D更便宜。“驱动扇出的是移动应用，”ASE的高级工程总监John Hunt在最近的一次演讲中说。

根据Yole的数据，到2021年，扇出市场预计将从2014年的2.44亿美元增长至25亿美元。“我们对2018年的扇出市场的估计是14亿美元，”Yole的Azémar说, “这是一个很高的数字，但我们的判断是有依据的，因为我们认为苹果不会是唯一一个将其手机处理器封装于扇出的玩家。”

图5: eWLB 封装.来源: 星科金朋

2016年对于扇出来说是一个丰收年。首先，苹果在iPhone 7中采用了台积电的高密度扇出封装。在老款的智能手机中，苹果则采用了旧的 (PoP)封装技术。

台积电的扇出技术被称为InFo, 另一种类型的扇出技术被称为嵌入式芯片级的球状阵列(eWLB)。2016年，两家主要的eWLB封装供应商——星科金朋和Nanium——由于巨大的需求其产品被销售一空。

不过，在2017年，扇出走向了两个不同的方向。在最新的iphone中，苹果继续使用台积电的扇出技术，从而推动了台积电的销售。但去年，eWLB都卖光了，这促使客户寻找其他解决方案，导致eWLB市场出现停顿。

“那时，人们变得紧张，停止了对它的期待，因为没有供应的保证，转而把目光投向了其他的晶圆级技术，或是倒装芯片。”星科金朋的Sikorski说。

不过最近，幸亏发生了几件事，eWLB市场已经反弹。首先，星科金朋和日月光已经扩展了他们的eWLB产能。接着，Amkor收购了Nanium，这一举动为扇出提供了一些支持。

Sikorski说:“我们看到eWLB的引擎将再次发动，各种设计在2017年下半年升温， 2018年将会表明其是稳固增长的一年。”

除了eWLB之外，封测厂也正在开发其他类型的扇出封装，比如高密度扇出，扇出PoP和扇出SiP。

一些公司还在开发和提出混合封装或基于基板的解决方案。Amkor的Huemoeller说:“在基板上的扇出将会是这个行业的新热点，它将会以不同的形式引入，从低密度到高密度。”

如果这还不够的话，日月光，Nepes和其他一些企业将在2018年进入面板级封装(PLP)的市场。目前的扇出封装将芯片封装到圆形的晶圆上，相比之下，PLP扇出则将芯片封装到大的方形面板上。

图6: 300mm晶圆和面板上芯片数量的对比 来源：星科金朋

“每个人都对成本感兴趣，我们如何降低成本?我们这样做的方式是从一个晶圆的工艺转变到到一个面板的工艺，并且，PLP扇出的成本降低了20%”，日月光的Hunt说。

显然，客户将有许多扇出的选项，但目前尚不清楚哪种技术最终会在市场上高飞。

去年，事实上，全球200毫米晶圆的凸块(bumping)产能不足。晶圆凸块工艺，使得锡球(solder ball)或是铜柱(copper pillar)形成于晶圆上，是晶圆与芯片之间的电子连接。

200毫米凸块产能的不足影响了智能手机市场的芯片级封装和前端射频模组的供应，其他封装类型也有很高的需求或供应紧张。

缺货肯定会延续到2018年，问题是会延续多久？

“我们预计，供应链将在产能瓶颈的地方进行增量扩产，同时以设备交期来管理总体产能的扩张，”Unisem的Chiu说，“我们预计，在2018年上半年，各自特定的领域都有可能出现缺货。”

原文链接：https://semiengineering.com/packaging-challenges-for-2018/