為什么說先進封裝是一條不得不爭奪的半導體賽道?
當下,中國大陸半導體產業,特別是IC設計和封裝測試,由于參與者眾多,競爭不斷加劇,但整體發展水平還不高,因此,在這兩個領域,中低端產品和服務“內卷”嚴重,要想突破這個怪圈,必須向高端方向發展。
與此同時,國際大廠,無論是IC設計,晶圓代工,還是封裝測試,則開始在中高端產品和服務方面加劇競爭,特別是在目前全球經濟不景氣的時段,半導體產品需求疲弱,國際大廠在高精尖技術領域的“內卷”也在加劇,封裝就是典型代表,因為封裝測試是半導體芯片生產的最后一個環節,其技術含量相對于晶圓代工要低一些,因此,國際大廠在這部分的“內卷”更明顯,且已經從傳統封裝技術,延續到先進封裝。
不同業態廠商的發展路線
近些年,除了傳統委外封測代工廠(OSAT)之外,晶圓代工廠(Foundry)、IDM也在大力發展先進封裝或相關技術,甚至有IC設計公司(Fabless)和OEM也參與其中。
不同業態的廠商,其在封裝業務方面投入的資源也有所不同,技術發展路線也存在差異??傮w而言,最具代表性的企業包括四家,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。
由于在發展先進封裝技術和業務方面具有前瞻性,再經過多年積累和發展,目前,臺積電已成為先進封裝技術的引領者,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等先進封裝技術,力圖通過2.5D、3D和埋入式3種異構集成形式實現互連帶寬倍增與功耗減半的目標。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,在大面積的扇出型封裝上進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封裝技術中涉及前道工序的延續,晶圓代工廠對前道制程非常了解,對整體布線的架構有更深刻的理解,因此,在高密度封裝方面,Foundry比傳統OSAT廠更具優勢。另外,Foundry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數量更多,而且定制化程度較高,從發展情勢來看,傳統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預計到2024年,Foundry將會占據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,整合命名為TSMC 3D Fabric,進一步將制程工藝和封裝技術深度整合,以加強競爭力。
臺積電用于手機AP的InFO封裝技術,是幾乎不使用封裝載板的InFO_PoP(Package-on-Package),與OSAT以載板技術為基礎的FC-PoP分庭抗禮。
最先進封裝技術多用于手機芯片,如應用處理器AP。在手機AP封裝結構組成中,下層為邏輯IC,上層為DRAM,若采用InFO_PoP技術,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已經發展到第七代,實際有量產訂單的,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,據了解,聯發科等對于此技術興趣濃厚,畢竟,手機AP兼顧效能、功耗、體積、散熱等的發展趨勢未變,或許Fan-out技術正是抗衡高通,追趕蘋果的關鍵。
一線IC設計公司曾指出,手機芯片廠商雖然有導入Fan-out等先進封裝技術的意愿,但產線會先鎖定少數頂級旗艦級AP,同時會優先考慮最具量產經驗的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,即便是4nm、3nm制程,FC封裝仍是具有性價比優勢的首選。但是,IC設計公司需要更多的差異化產品和服務,在IC設計公司取得先進制程產能后,進入后段封裝流程,市面上唯一具有手機AP Fan-out封裝大規模量產經驗的,只有臺積電。
三星方面,先進封裝技術相對臺積電起步較晚,三星原本想以扇出型面板級封裝(FOPLP)技術搶奪手機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,FOPLP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量產的芯片仍然以智能穿戴設備應用為主,還無法在智能手機等要求更高的應用實現規模量產。
面對并不成功的FOPLP,三星于2020年推出了3D堆疊技術“X-Cube”,2021年還對外宣稱正在開發“3.5D封裝”技術。
為了在先進封裝技術方面追趕競爭對手,2022年6月,三星DS事業部成立了半導體封裝工作組(TF),該部門直接隸屬于DS事業本部CEO。
作為IDM,英特爾也在積極布局2.5D/3D封裝,其封裝產品量產時間晚于臺積電。英特爾2.5D封裝的代表技術是EMIB,可以對標臺積電的CoWoS技術,3D封裝技術Foveros對標臺積電的InFO。不過,目前及可預見的未來一段時期內,英特爾的封裝技術主要用在自家產品上,對市場造成的影響較小。
與Foundry、IDM相比,傳統OSAT在多功能性基板整合組件方面(比如 SiP 封裝)占據優勢,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。
汽車芯片用上先進封裝
雖然特斯拉的目標是將碳化硅(SiC)組件的用量減少75%,但相關行業人士認為,SiC憑借其良好的耐熱性,仍將是車用逆變器應用的主流。然而,主要 IDM 和汽車供應鏈參與者不可避免地致力于進一步縮小芯片尺寸并保持高功率密度?;貧w硅基 IGBT 或混合解決方案也將為先進封裝帶來更多亮點。
業內人士也在思考車用逆變器模塊的封裝升級。例如半導體驗證分析實驗室營運商iST宜特,在先進封裝可靠性分析(RA)領域深耕多年。2022年底成為汽車電子委員會(AEC)正式成員,盯上汽車邏輯芯片、化合物半導體、功率模塊等研發動力。
芯片驗證和分析行業人士觀察到,2023 年上半年全球半導體終端應用和總產能將出現下滑,因為主要晶圓代工廠的利用率將降至 70-80%,再加上芯片制造商面臨的逆風。盡管有這些發展,來自芯片驗證和分析行業的消息人士仍然看到來自新興 AI 和 HPC 芯片行業客戶的勢頭。
在過去2-3年成熟節點芯片供應短缺的情況下,驗證分析領域也出現了“代工轉移驗證”需求的增長,因為傳統芯片的設計者正在尋求各代工廠的產能。但從2022年下半年開始,這種現象逐漸緩解,在芯片需求短期下降的情況下,讓位于去庫存。各大芯片設計公司也紛紛抓住這個機會進行新產品的開發。
整體而言,材料分析(MA)需求吃緊仍帶動中國臺灣三大半導體驗證分析實驗室運作。以宜特為例,持續受益于先進制程、先進封裝、車用電子、5G、HPC等,同時帶動對MA、失效分析(FA)、RA的強勁需求。
尤其是材料分析方面,宜特已成功開發2nm工藝制程的分析能力,2023年產能將擴充40%。此外,RA和FA也會有少量擴產,配合步伐人才招聘持續進行。展望未來,先進制程、EVs、SiC/GaN、5G、HPC、IoT 及 AI 相關應用等主要趨勢,有望帶動更多企業投資未來科技,宜特亦持續與國際大客戶緊密合作,共同開發更多解決方案。
宜特近日公布,2023年2月營收約新臺幣3.32億元(約合1080萬美元),較2022年同期成長16.85%,創往年同期新高。1-2月累計營收為新臺幣6.67億元,年增16.99%。
業內人士預計,2023年,各大IC設計、晶圓代工等半導體相關行業仍將投入研發。對于重研發動力而非銷量的驗證分析實驗室行業,2023年的前景依然樂觀。
先進封裝發展趨勢與競爭格局
1、集成電路進入“后摩爾時代”,先進封裝作用突顯
“后摩爾時代”制程技術突破難度較大,工藝制程受成本大幅增長和技術壁壘等因素上升改進速度放緩。由于集成電路制程工藝短期內難以突破,通過先進封裝技術提升芯片整體性能成為了集成電路行業技術發展趨勢。
2、先進封裝將成為未來封測市場的主要增長點
在芯片制程技術進入“后摩爾時代”后,先進封裝在高端邏輯芯片、存儲器、射頻芯片、圖像處理芯片、觸控芯片等領域均得到了廣泛應用。
根據市場調研機構Yole預測數據,全球先進封裝在集成電路封測市場中所占份額將持續增加。與此同時,Yole 預測2019年至2025年全球傳統封裝年均復合增長率僅為1.9%,增速遠低于先進封裝。
3、系統級封裝(SiP)是先進封裝市場增長的重要動力
系統級封裝產品靈活度大,研發成本和周期遠低于復雜程度相同的單芯片系統(SoC)。
根據市場調研機構 Yole 統計數據,2019年全球系統級封裝規模為134億美元,占全球整個封測市場的份額為23.76%,并預測到2025年全球系統級封裝規模將達到188億美元,年均復合增長率為 5.81%。
在系統級封裝市場中,倒裝/焊線類系統級封裝占比最高,2019年倒裝/焊線類系統級封裝產品市場規模為122.39億美元,占整個系統級封裝市場的91.05%。根據Yole預測數據,2025年倒裝/焊線類系統級封裝仍是系統級封裝主流產品,市場規模將增至171.77億美元。
根據Yole預測,未來5年,系統級封裝增長最快的應用市場將是可穿戴設備、Wi-Fi路由器、IoT物聯網設施以及電信基礎設施。
4、高密度細間距凸點倒裝產品(FC)類產品在移動和消費市場發展空間較大
據Yole數據,2020年至2026年,先進封裝收入預計將以7.9%的復合年增長率增長。到2026年,FC-CSP(倒裝芯片尺寸封裝)細分市場將達到100億美元以上。
按收入細分,移動和消費市場占2019年先進封裝總收入的85%, Yole預計到2025年復合年增長率為5.5%,占先進封裝總收入的80%。而FC CSP 封裝在移動和消費市場中占有一席之地,主要用于PC、服務器和汽車應用中使用的智能手機APU、RF組件和DRAM設備。
5、扁平無引腳封裝產品(QFN/DFN)產品仍擁有較大容量的市場規模
QFN/DFN封裝形式雖屬于中端封裝類型,但市場容量較大,短期內被替代的可能性較低。QFN/DFN類產品有以下優點:
(1)物理層面:體積小、重量輕、效率高。
(2)品質層面:散熱性能強、電性能好、可靠性強。
(3)具備更高的性價比
隨著集成電路產業的轉型升級、政策及資金支持,消費電子產業的快速崛起都推動了先進封裝的市場發展,吸引了全球各大主流IC封測廠商在先進封裝領域進行持續布局。
