最近幾年，臺(tái)積電在晶圓廠代工領(lǐng)域發(fā)展的如火如荼，國(guó)內(nèi)晶圓廠在這方面與臺(tái)積電的差距越來(lái)越大。但其實(shí)除了在代工領(lǐng)域，大陸在先進(jìn)封裝上也正在被如三星和臺(tái)積電這些企業(yè)拉開(kāi)距離。摩爾定律發(fā)展到今天，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)成為驅(qū)動(dòng)制程向前邁進(jìn)的關(guān)鍵因素，在這其中，先進(jìn)封裝首當(dāng)其沖。在先進(jìn)制程和先進(jìn)封裝的雙輪驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)大陸晶圓廠的一道“新鴻溝”日漸淡出！

晶圓廠為何要進(jìn)攻先進(jìn)封裝？

隨著摩爾定律演進(jìn)的技術(shù)難度和投資規(guī)模不斷提高，半導(dǎo)體行業(yè)正越來(lái)越依賴于封裝技術(shù)的發(fā)展。過(guò)去，晶圓代工與封裝廠基本都是各司其職，但隨著終端對(duì)芯片要求的提升，一方面，處理器所存在的“內(nèi)存墻”問(wèn)題大大限制了處理器的性能；另一方面，隨著高性能處理器的架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，晶體管數(shù)越來(lái)越多，再加上先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的價(jià)格昂貴，處理器良率提升速度差強(qiáng)人意。

集成電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和流片成本不斷提高，微系統(tǒng)集成封裝和系統(tǒng)組裝的作用越來(lái)越大。集成電路和封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。在這一背景下，以臺(tái)積電、英特爾、三星為代表的三大芯片巨頭正積極探索 3D 封裝技術(shù)及其他先進(jìn)封裝技術(shù)。

依據(jù)麥姆斯咨詢，先進(jìn)封裝有兩種發(fā)展路徑：1.尺寸減小，使其接近芯片大小，包括FC（倒裝、Bumping）和晶圓級(jí)封裝（WLCSP、扇入扇出）。2.功能性發(fā)展，即強(qiáng)調(diào)異構(gòu)集成，在系統(tǒng)微型化中提供多功能，包括系統(tǒng)級(jí)封裝SiP、3D封裝、硅通孔TSV。

集成電路封裝工藝發(fā)展歷程

接下來(lái)我們簡(jiǎn)單再來(lái)看下這幾大類先進(jìn)封裝的主要內(nèi)容。

首先來(lái)看下晶圓級(jí)封裝（WLP），晶圓級(jí)封裝就是在封裝過(guò)程中大部分工藝過(guò)程都是對(duì)晶圓（大圓片）進(jìn)行操作。其主要受到更小封裝尺寸和高度，以及簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈和降低總體成本的需求。WLP技術(shù)有兩種類型：扇入式（Fan-in）和扇出式（Fan-out）晶圓級(jí)封裝。其中扇出式WLP可根據(jù)工藝過(guò)程分為芯片先上（Die First）和芯片后上（Die Last），芯片先上工藝，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是先把芯片放上，再做布線（RDL）；芯片后上就是先做布線，測(cè)試合格的單元再把芯片放上去。

再就是2.5D/3D先進(jìn)封裝集成，新興的2.5D和3D技術(shù)有望擴(kuò)展到倒裝（FC）芯片和晶圓級(jí)封裝（WLP）工藝中。通過(guò)使用內(nèi)插器（interposers）和硅通孔（TSV）技術(shù)，可以將多個(gè)芯片進(jìn)行垂直堆疊。據(jù)報(bào)道，與傳統(tǒng)包裝相比，使用3D技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)40～50倍的尺寸和重量減少。

最后是三維高密度系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP/SoP），SiP是IC封裝領(lǐng)域的最高端的一種新型封裝技術(shù)，它將一個(gè)或多個(gè)IC芯片及被動(dòng)元件整合在一個(gè)封裝中，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)。SiP封裝也成為了實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、小型化、異質(zhì)工藝集成、低成本的系統(tǒng)集成電子產(chǎn)品的重要技術(shù)方案。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線（ITRS）已經(jīng)明確SiP/SoP 將是未來(lái)超越摩爾（More than Moore）定律的主要技術(shù)。

龐大的市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模也是三星和臺(tái)積電等晶圓廠大力發(fā)展的原因。根據(jù)Yole最新預(yù)測(cè)，從2018-2024年，整個(gè)半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的營(yíng)收將以5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，而先進(jìn)封裝市場(chǎng)將以8.2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模到2024年將增長(zhǎng)至436億美元。在各種先進(jìn)封裝平臺(tái)中，3D硅通孔（TSV）和扇出型（Fan-out）封裝，將分別以29%和15%的速度增長(zhǎng)。而占據(jù)先進(jìn)封裝市場(chǎng)主要市場(chǎng)份額的倒裝芯片（Flip-chip）封裝，將以約7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。與此同時(shí)，扇入型晶圓級(jí)封裝（Fan-in WLP）主要受到移動(dòng)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，也將以7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

2014-2024先進(jìn)封裝按不同平臺(tái)收入劃分

三星、臺(tái)積電等晶圓廠走在先進(jìn)封裝前列

在先進(jìn)封裝的征程上，臺(tái)積電和三星無(wú)疑走在時(shí)代前列。臺(tái)積電在Fan-out和3D先進(jìn)封裝平臺(tái)方面已處于領(lǐng)先地位，其先進(jìn)封裝技術(shù)儼然已成為一項(xiàng)成熟的業(yè)務(wù)，并為其帶來(lái)了可觀的收入。三星的FO-PLP技術(shù)也已用于自家的手表中。

對(duì)先進(jìn)封裝技術(shù)的重視，臺(tái)積電是第一人，也成為其甩開(kāi)三星、英特爾的主要差異點(diǎn)。自2011年臺(tái)積電引入CoWoS作為用于異構(gòu)集成的硅接口的高端先進(jìn)封裝平臺(tái)以來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了從InFO（及其多個(gè)版本的InFO- os、InFO- aip）到SoIC，再到3D多棧（MUST）系統(tǒng)集成技術(shù)和3D MUST-in-MUST （3D- mim 扇出封裝）等一系列創(chuàng)新。其中，CoWoS協(xié)助臺(tái)積電拿下NVIDIA、超微（AMD）、Google、賽靈思（Xilinx）、海思等高階HPC芯片訂單。

據(jù)臺(tái)積電官網(wǎng)的最新信息顯示，他們目前有4座先進(jìn)的芯片封測(cè)工廠，新投產(chǎn)兩座之后，就將增加到6座。外媒的報(bào)道還顯示，臺(tái)積電計(jì)劃在明后兩年投產(chǎn)的兩座芯片封裝工廠，將采用3D Fabric先進(jìn)封裝技術(shù)。在8月底的臺(tái)積電2020年度的全球技術(shù)論壇和開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)論壇期間，他們公布了這一先進(jìn)的封裝技術(shù)。

而三星則主要布局在面板級(jí)扇出型封裝（FOPLP），三星在FOPLP投資已超過(guò)4億美元。三星的FOPLP是與臺(tái)積電InFO-WLP所對(duì)標(biāo)的，都是用于手機(jī)芯片的封裝技術(shù)。另一方面，三星電子為擴(kuò)大半導(dǎo)體封裝技術(shù)陣容，不僅開(kāi)發(fā)FOPLP，也開(kāi)發(fā)FOWLP技術(shù)。還在2019年上半年收購(gòu)子公司三星電機(jī)的半導(dǎo)體封裝PLP事業(yè)，不斷加強(qiáng)封裝的實(shí)力。

2019年10月，三星宣布，已開(kāi)發(fā)出業(yè)界首個(gè)12層3D-TSV（硅穿孔）技術(shù)。三星的這項(xiàng)新創(chuàng)新被認(rèn)為是大規(guī)模生產(chǎn)高性能芯片所面臨的的最具挑戰(zhàn)性的封裝技術(shù)之一，因?yàn)樗枰獦O高的精度才能通過(guò)擁有60，000多個(gè)TSV孔的三維配置垂直互連12個(gè)DRAM芯片。其封裝的厚度（720?）與當(dāng)前的8層高帶寬存儲(chǔ)器（HBM2）產(chǎn)品相同，這在元器件設(shè)計(jì)上是一項(xiàng)重大進(jìn)步。這將幫助客戶發(fā)布具有更高性能容量的下一代大容量產(chǎn)品，而無(wú)需更改其系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)。

三星的3D-TSV（硅穿孔）技術(shù)

除了臺(tái)積電和三星，英特爾也發(fā)布了3D封裝技術(shù)Foveros，首次在邏輯芯片中實(shí)現(xiàn)3D堆疊，對(duì)不同種類芯片進(jìn)行異構(gòu)集成。而大陸的晶圓廠在先進(jìn)封裝技術(shù)上似乎比較低調(diào)，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)的晶圓廠方面，武漢新芯是在為圖像傳感器和高性能應(yīng)用提供3D IC TSV封裝。未來(lái)幾年，先進(jìn)封裝將成為半導(dǎo)體一線龍頭廠商之間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

拉開(kāi)與大陸晶圓廠的工藝差距，危及封裝上的優(yōu)勢(shì)

臺(tái)積電和三星等晶圓廠在先進(jìn)封裝技術(shù)上的布局，助其在摩爾定律的法則中不斷延續(xù)，向5nm、3nm、2nm甚至1nm工藝上突進(jìn)，這也使得我們大陸晶圓廠在工藝上的差距與他們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)。就14nm而言，臺(tái)積電早于2014年已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)，今年更開(kāi)始量產(chǎn)5nm制程，占公司營(yíng)收比重預(yù)計(jì)為8%，公司預(yù)計(jì)3nm制程明年試產(chǎn)，2022年下半年量產(chǎn)。相比之下，中芯國(guó)際比臺(tái)積電落后6年，而該公司早前宣布計(jì)劃今年第4季試產(chǎn)臺(tái)積電已經(jīng)量產(chǎn)多時(shí)的7nm芯片。

更令人深思的是，他們這些晶圓廠殺入先進(jìn)封裝領(lǐng)域，會(huì)不會(huì)磨平我們?cè)?a target="_blank">封裝測(cè)試上好不容易積攢下來(lái)的優(yōu)勢(shì)。封裝測(cè)試領(lǐng)域作為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中最具競(jìng)爭(zhēng)力的環(huán)節(jié)，已成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的先行推動(dòng)力，正在推動(dòng)半導(dǎo)體其他環(huán)節(jié)快速發(fā)展。

由于芯片制造領(lǐng)域涉及的技術(shù)難度較高，國(guó)內(nèi)與國(guó)外水平相差較大，短時(shí)間內(nèi)難以趕超，而產(chǎn)業(yè)鏈后端環(huán)節(jié)封裝測(cè)試領(lǐng)域技術(shù)含量相對(duì)較低。對(duì)于封裝廠商來(lái)說(shuō)，只要芯片生產(chǎn)出來(lái)就要封裝，且相對(duì)于制造業(yè)和設(shè)計(jì)業(yè)來(lái)講，它的投資少、技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，勞動(dòng)力用得較多，適合中國(guó)國(guó)情，是一條快速發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成功捷徑，因而成為我國(guó)重點(diǎn)突破領(lǐng)域。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)蓬勃發(fā)展，封測(cè)產(chǎn)業(yè)也一直保持高速發(fā)展，從2004年至今，我國(guó)半導(dǎo)體封測(cè)行業(yè)一直保持高速發(fā)展，年復(fù)合增長(zhǎng)率為15.8%。根據(jù)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到7591.3億元，其中封裝測(cè)試產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2494.5億元。另?yè)?jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)封裝分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，截至2019年年底，我國(guó)有一定規(guī)模的封裝測(cè)試企業(yè)共有87家，其中本土企業(yè)或內(nèi)資控股企業(yè)有29家，年生產(chǎn)能力1464億塊。

在全球封測(cè)市場(chǎng)中，中國(guó)臺(tái)灣，中國(guó)大陸和美國(guó)占據(jù)主要市場(chǎng)份額，其2019年市占率具體分別如下：

根據(jù)ChipInsights數(shù)據(jù)，2019年中國(guó)內(nèi)資封裝測(cè)試代工排名前十廠商為：長(zhǎng)電科技、通富微電、華天科技、頎中科技、華潤(rùn)封測(cè)事業(yè)部、能甬矽電子、蘇州晶方、池州華宇、蘇州科陽(yáng)、利揚(yáng)芯片。在前十大封測(cè)企業(yè)中有長(zhǎng)電科技、華天科技和通富微電三個(gè)企業(yè)進(jìn)入先進(jìn)封裝的陣列。

長(zhǎng)電科技通過(guò)收購(gòu)星科金朋，在5G通信類、高性能計(jì)算、消費(fèi)類、汽車和工業(yè)等重要領(lǐng)域擁有行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體高端封裝技術(shù)（如SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP及開(kāi)發(fā)中的2.5D/3D封裝等）以及混合信號(hào)/射頻集成電路測(cè)試和資源優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，能夠?yàn)槭袌?chǎng)和客戶提供量身定制的技術(shù)解決方案。

在5G移動(dòng)終端領(lǐng)域，長(zhǎng)電科技的高密度系統(tǒng)級(jí)封裝SiP技術(shù)，配合多個(gè)國(guó)際高端客戶完成多項(xiàng)5G射頻模組的開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)，已應(yīng)用于多款高端5G移動(dòng)終端。并且在移動(dòng)終端的主要元件上，基本實(shí)現(xiàn)了所需封裝類型的全覆蓋。公司的手機(jī)端高密度AiP方案已驗(yàn)證通過(guò)并進(jìn)入量產(chǎn)階段；此外公司還擁有可應(yīng)用于高性能高像素?cái)z像模組的CIS工藝產(chǎn)線。

在晶圓級(jí)封裝上，長(zhǎng)電科技有用于晶圓級(jí)制造的創(chuàng)新方法稱為FlexLineTM方法，可為客戶提供不受晶圓直徑限制的自由，同時(shí)簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈，并顯著降低了常規(guī)制造流程無(wú)法實(shí)現(xiàn)的成本降低。長(zhǎng)電科技可為eWLB（嵌入式晶片級(jí)球柵陣列）、eWLCSP（封裝的晶片級(jí)芯片規(guī)模封裝）、WLCSP（晶片級(jí)芯片規(guī)模封裝）、IPD（集成的無(wú)源器件）、ECP（封裝的芯片封裝）、RFID（射頻識(shí)別）等提供晶圓級(jí)封裝。此外，長(zhǎng)電科技成功于2020年4月通過(guò)全球行業(yè)領(lǐng)先客戶的認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)雙面封裝SiP產(chǎn)品的量產(chǎn)。

據(jù)長(zhǎng)電科技2020年上半年財(cái)報(bào)中顯示，長(zhǎng)電科技表示2020年下半年將繼續(xù)深化總部功能整合，加大先進(jìn)封裝工藝及產(chǎn)品的研發(fā)投入，積極搭建設(shè)計(jì)服務(wù)新業(yè)務(wù)平臺(tái)，不斷強(qiáng)化長(zhǎng)電科技核心競(jìng)爭(zhēng)力并在工廠端落實(shí)。

天水華天這些年也在不斷加強(qiáng)先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)力度，通過(guò)實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)等科技創(chuàng)新項(xiàng)目以及新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的不斷研究開(kāi)發(fā)，公司自主研發(fā)出FC、Bumping、MEMS、MCM（MCP）、WLP、SiP、TSV、Fan-Out等多項(xiàng)集成電路先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)品。華天科技2020年上半年在先進(jìn)封裝方面的研發(fā)費(fèi)用達(dá)2億元，同比增長(zhǎng)15.41%，占營(yíng)業(yè)收入比例為5.4%。

2020年上半年，通富微電在2D、2.5D封裝技術(shù)研發(fā)上取得突破，如超大尺寸FCBGA已進(jìn)入小批量驗(yàn)證；Si Bridge封裝技術(shù)研發(fā)拓展，并布局了多個(gè)具有獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的專利族；Low-power DDR、DDP封裝技術(shù)研發(fā)取得突破；還進(jìn)行了Fanout封裝技術(shù)的多種工藝研發(fā)，具體應(yīng)用在CIS、壓力傳感器、光電心率傳感器中，計(jì)劃2020年底前完成部分模塊的打樣；還搭建了國(guó)際領(lǐng)先的SiP封裝技術(shù)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)及專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，具備SiP系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)及復(fù)雜封裝設(shè)計(jì)的評(píng)估能力。

結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，大陸與國(guó)際大廠在先進(jìn)封裝技術(shù)上還是有一定的差距。供應(yīng)鏈的延伸正在導(dǎo)致封測(cè)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，晶圓跨界封裝越來(lái)越成為趨勢(shì)。大陸晶圓廠本身在晶圓工藝上就有所差距，而隨著三星和臺(tái)積電等晶圓大廠逐漸向先進(jìn)封裝邁進(jìn)，或許將成為大陸晶圓廠新的“鴻溝”。
責(zé)任編輯:tzh