2017封測年會筆記:物聯網時代的先進封裝

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2017封測年會筆記:物聯網時代的先進封裝

2017年中國半導體封裝測試技術與市場年會已經過去一個月了,但半導體這個需要厚積薄發的行業不需要蹭熱點, 一個月之後, 年會上專家們的精彩發言依然餘音繞樑。 除了「封裝測試」這個關鍵詞,嘉賓們提的最多的一個關鍵詞是 「物聯網」。 因此,將年會上的嘉賓觀點稍作整理,讓我們再一起思考一下物聯網時代的先進封裝。

智慧型手機增速放緩

半導體下游市場的驅動力經歷了幾個階段,首先是出貨量為億台量級的個人電腦, 後來變成十億台量級的手機終端和通訊產品, 而從2010年開始,以智慧型手機為代表的智能移動終端掀起了移動網際網路的高潮,成為最新的殺手級應用。回顧之前的二三十年,下游電子行業殺手級應用極大的拉動了半導體產業發展,不斷激勵半導體廠商擴充產能,提升性能,而隨著半導體產量提升,半導體價格也很快下降,更便宜更高性能的半導體器件又反過來推動了電子產業加速發展, 半導體行業和電子行業相互激勵,形成了良好的正反饋。但在目前,智慧型手機的滲透率已經很高,市場增長率開始減緩,下一個殺手級應用將會是什麼?

物聯網可能成為下一個殺手級應用

根據IHS的預測,物聯網節點連接數在2025年將會達到700億。

從數量上來看,物聯網將十億量級的手機終端產品遠遠拋在後面,很可能會成為下一波的殺手級應用。但物聯網的問題是產品多樣化, 應用非常分散。我們面對的市場正從單一同質化大規模市場向小規模異質化市場發生變化。對於半導體這種依靠量的行業來說,晶片設計和流片前期投入巨大,沒有量就不能產生規模效應,攤銷到每塊晶片的成本非常高。

除了應對小規模異質化的挑戰, 物聯網需要具備的關鍵要素還包括:多樣的傳感器(各類傳感器和Sensor Hub),分布式計算能力(雲端計算和邊緣計算),靈活的連接能力(5G, WIFI, NB-IOT, Lora, Bluetooth, NFC,M2M…),存儲能力(存儲器和數據中心)和網絡安全。

這些關鍵要素會刺激CPU/AP/GPU, SSD/Memory, 生物識別晶片,無線通訊器件,傳感器, 存儲器件和功率器件的發展。

物聯網多樣化的下游產品對封裝提出更多要求

物聯網產品的多樣性意味著晶片製造將從單純追求製程工藝的先進性, 向既追求製程先進性,也最求產品線的寬度發展。物聯網時代的晶片可能的趨勢是: 小封裝, 高性能, 低功耗, 低成本, 異質整合(Stacking, Double Side, EMI Shielding, Antenna…)。

汽車電子的封裝需求: 汽車電子目前的熱點在於ADAS系統和無人駕駛AI 深度學習。 全球汽車2016年產銷量約為8000萬台,其中中國市場產銷量2800萬台, 為汽車電子提供了足夠大的舞台。 ADAS汽車系統發展前景廣闊,出於安全考慮, 美國 NHTSA 要求從2018 年 5 月起生產的汽車需要強制安裝倒車影像顯示系統。 此外, 車道偏離警示系統(LDW), 前方碰撞預警系統(FCW), 自動緊急剎車系統(AEBS),車距控制系統(ACC), 夜視系統(NV)市場也在快速成長。中國一二線城市交規越來越嚴格也使得人們對ADAS等汽車電子系統的需求提升。ADAS,無人駕駛,人工智慧,深度學習對數據處理實時性要求高,所以要求晶片能實現超高的計算性能,另外對晶片和模塊小型化設計和散熱也有要求,未來的汽車電子晶片可能需要用2.5D技術進行異構性的集成,比如將CPU, GPU, FPGA, DRAM集成封裝在一起。

個人移動終端的封裝需求: 個人消費電子市場也將繼續穩定增長, 個人消費電子設備主要的訴求是小型化,省電, 高集成度, 低成本和模塊化。比如個人移動終端要求能實現多種功能的模塊化,將應用處理器模塊, 基帶模塊,射頻模塊,指紋識別模塊,通訊模塊,電源管理模塊等集成在一起。這些產品對晶片封裝形式的要求同樣是小型化,省電, 高集成度,模塊化, 晶片封裝形式主要是「Stack Die on Passive」, 「Antenna in SiP」, 「Double Side SiP等 。比如蘋果的3D SiP集成封裝技術,從過去的ePOP & BD PoP, 發展到目前的是HBW-PoP和 FO-PoP, 下一代的移動終端封裝形式可能是FO-PoP 加上FO-MCM, 這種封裝形式能夠提供更加超薄的設計。

5G網絡晶片的封裝需求: 5G網絡和基於物聯網的NB-IOT網絡建設意味著網絡晶片市場將會有不錯的表現。與網絡密切祥光的大數據,雲計算和數據中心,對存儲器晶片和FPGA GPU/CPU的需求量非常大。通信網絡晶片的特點是大規模,高性能和低功耗,此外, 智慧財產權(IP)核複雜、 良率等都是廠商面臨的重要問題。 這些需求和問題也促使網絡晶片封裝從Bumping & FC發展到2.5D, FO-MCM 和3D。而TSV技術的成功商用,使晶片的堆疊封裝技術取得了實質性進展, 海力士和三星已成功研發出 3D堆疊封裝的高帶寬內存(HBM), Micron和Intel等也正在聯合推動堆疊封裝混合存儲立方體(HMC) 的 研 發 。 在 芯 片 設 計 領 域 , BROADCOM、GLOBAL FOUNDRIES 等公司也成功引入了TSV技術,目前已 能為通信網絡晶片提供2.5D堆疊後端設計服務。

上游晶圓代工廠供應端對封裝的影響

一方面,下游市場需求非常旺盛,另外一方面,大基金帶領下的資本對晶圓代工製造業持續大力投資,使得上游的製造一直在擴充產能. 據SEMI估計, 全球將於2017年到2020年間投產62座半導體晶圓廠,其中26座在中國大陸,占全球總數的42%。目前晶圓廠依然以40 nm 以上的成熟製程為主, 占整體晶圓代工產值的60%。未來,汽車電子,消費電子和網絡通信行業對晶片集成度、功能和性能的要求越來越高,主流的晶圓廠中芯和聯電都在發展28nm製程, 其中台積電28nm製程量產已經進入第五年,甚至已經跨入10Xnm製程。

隨著晶圓技術節點不斷逼近原子級別, 摩爾定律可能將會失效。如何延續摩爾定律?可能不能僅僅從晶圓製造來考慮,還應該從晶片製造全流程的整個產業鏈出發考慮問題,需要對晶片設計,晶片製造到封裝測試都進行系統級的優化。

因此,晶圓製造,晶片封測和系統集成三者之間的界限將會越來越模糊。首先是晶片封測和系統集成之間出現越來越多的子系統,各種各樣的系統級封裝SiP需要將不同工藝和功能的晶片,利用3D等方式全部封裝在一起,既縮小體積,又提高系統整合能力。 Panel板級封裝也將大規模降低封裝成本,提高勞動生產效率。其次,晶片製造和晶片封測之間出現了扇入和扇出型晶圓級封裝,FO-WLP封裝具有超薄,高I/O腳數的特性,是繼打線,倒裝之後的第三代封裝技術之一, 最終晶片產品具有體積小,成本低,散熱佳,電性能優良,可靠性高等優勢。

先進封裝的發展現狀

先進封裝形式在國內應用的越來越多, 傳統的TO和DIP封裝類型市場份額已經低於20%,

最近幾年,業界的先進封裝技術包括以晶圓級封裝(WLCSP)和載板級封裝(PLP)為代 表的2.1D,3D封裝,Fan Out WLP, WLCSP, SIP以及TSV,

2013年以前,2.5D TSV封裝技術主要應用於邏輯模塊間集成, FPGA晶片等產品的封裝,集成度較低。2014年, 業界的3D TSV封裝技術己有部分應用於內存晶片和高性能晶片封裝中, 比如大容量內存晶片堆疊。2015年, 2.5D TSV技術開始應用於一 些高端GPU/CPU, 網絡晶片, 以及處理器(AP)+內存的集成晶片中。3D封裝在集成度、性能、功耗, 更小尺寸,設計自由度,開發時間等方面更具優勢,同時設計自由度更高,開發時間更短,是各封裝技術中最具發展前景的一種。在高端手機晶片, 大規I/O晶片和高性能晶片中應用廣泛,比如一個MCU加上一個SiP, 將原來的尺寸縮小了80%。

目前國內領先封裝測試企業的先進封裝能力已經初步形成

長電科技王新潮董事長在2017半導體封裝測試年會上, 對於中國封測廠商目前的先進封裝技術水平還提到三點:

SiP系統級封裝: 目前集成度和精度等級最高的SiP模組在長電科技已經實現大規模量產;華天科技的TSV+SiP指紋識別封裝產品已經成功應用於華為系列手機。

WLP晶圓級封裝: 長電科技的Fan Out扇出型晶圓級封裝累計發貨超過15億顆, 其全資子公司長電先進已經成為全球最大的集成電路Fan-In WLCSP封裝基地之一; 晶方科技已經成為全球最大的影像傳感器WLP晶圓級封裝基地之一。

FC倒裝封裝: 通過跨國併購 ,國內領先企業獲得了國際先進的FC倒裝封裝技術, 比如長電科技的用於智慧型手機處理器的FC-POP封裝技術; 通富微電的高腳數FC-BGA封裝技術; 國內三大封測廠也都基本掌握了16/14nm的FC倒裝封裝技術。


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