摩爾定律減速當(dāng)口，本土封測廠商的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

過去 50 年來，摩爾定律作為半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的金科玉律，指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)長期策略，以及成本控制和研發(fā)目標(biāo)的制定。隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)向 7nm 及以下發(fā)展的速度減慢，摩爾定律是否已達(dá)到效率極限引起業(yè)界熱論。

新型應(yīng)用對(duì)芯片的要求越來越高，半導(dǎo)體業(yè)界正在積極探索解決方案，IC 設(shè)計(jì)與制造之外，封裝技術(shù)受到越來越多的重視。進(jìn)入 5G 時(shí)代，對(duì)集成電路封裝技術(shù)提出了更多需求和挑戰(zhàn)。

中國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，大陸封測市場規(guī)模從 2012 年的 1034 億元增長至 2019 年的 2350 億元，年平均復(fù)合增長率超過 10%。

同時(shí)，隨著中國大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，芯片制造產(chǎn)能國內(nèi)轉(zhuǎn)移，位于中下游的封測廠將伴隨整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，迎來發(fā)展機(jī)遇。

SiP 能否延續(xù)摩爾定律？

在封裝技術(shù)的走勢(shì)方面，5G 通信的高頻、高速、低時(shí)延、多通路的特性為集成電路封裝產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展趨勢(shì)，也是新的技術(shù)攻克難點(diǎn)。

據(jù)貝殼投研統(tǒng)計(jì)，5G 終端對(duì)射頻芯片的需求是 4G 時(shí)的 2 倍以上，天線的數(shù)量也成倍增長，進(jìn)一步擠壓設(shè)備的內(nèi)部空間，若想繼續(xù)保持 4G 時(shí)期的內(nèi)部元器件數(shù)量或增加更大的元器件如多鏡頭組合模組，就必須使用更小尺寸的封裝芯片，對(duì)封測環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

在這種趨勢(shì)下，業(yè)界正在積極開發(fā)包括 3D 封裝、片上系統(tǒng)(SoC)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)等先進(jìn)封裝技術(shù)。其中，SiP 已經(jīng)成為這種趨勢(shì)下的主流封裝解決方案。SiP 給芯片集成提供了一個(gè)既可以滿足性能需求又能減少尺寸的解決方案。

在南京近日舉辦的 2020 世界半導(dǎo)體大會(huì)上，國內(nèi)封測巨頭長電科技技術(shù)市場副總裁包旭升表示，摩爾定律與 SoC 發(fā)展遇到技術(shù)與成本的挑戰(zhàn)，SiP 成為微系統(tǒng)小型化的有效方案，將延續(xù)摩爾定律。

SiP（System in a Package），即系統(tǒng)級(jí)封裝，將多種功能芯片，如處理器、存儲(chǔ)器等通過并排或疊加的封裝方式集成到一起，形成可實(shí)現(xiàn)一定功能的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由于產(chǎn)品功能增多導(dǎo)致電路板空間有限，無法再布局更多元件和電路時(shí)，SiP 封裝可將各種有源或無源元件高密度的集成在小型有機(jī)載板上，以保證產(chǎn)品電性完整性。

與其他封裝類型相比，SiP 最大的特點(diǎn)是，當(dāng)產(chǎn)品功能增多、電路板空間布局有限時(shí)，能夠?qū)⑿阅懿煌挠性椿驘o源元件集成在一起，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的異質(zhì)異構(gòu)集成需求，既實(shí)現(xiàn)了微型化又保證產(chǎn)品的電性完整性。

不難理解，集成是延續(xù)“摩爾定律”的關(guān)鍵方面，而 SiP 能在不單純依賴半導(dǎo)體工藝縮放的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。SiP 不再一味關(guān)注摩爾定律帶給芯片的性能上升和功耗下降，而是從市場需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)終端電子產(chǎn)品的輕薄短小、多功能、低功耗等特性。在行動(dòng)裝置與穿戴裝置等輕巧型產(chǎn)品興起后，SiP 的重要性日益顯現(xiàn)。

包旭升個(gè)人做出大膽預(yù)測，“半導(dǎo)體行業(yè)將從關(guān)注單芯片晶體管數(shù)量轉(zhuǎn)化為關(guān)注 SiP 封裝的晶體管數(shù)量或者整體算力（數(shù)字類）。性能、成本、空間將成為 SiP 封測技術(shù)快速發(fā)展的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力，SiP 成為業(yè)內(nèi)差異化技術(shù)創(chuàng)新的新領(lǐng)域，也成為了長電科技重點(diǎn)業(yè)務(wù)之一?！?/p>

SiP 與 Chiplet 的區(qū)別

異構(gòu)集成系統(tǒng)提供了一種新的設(shè)計(jì)方案。在這些系統(tǒng)中，原來集成在 SoC 芯片中的不同功能模塊（IP Block）可以在獨(dú)立的裸片上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并可形成標(biāo)準(zhǔn)化的芯片，稱為 Chiplet。不同的裸片可以使用不同的工藝節(jié)點(diǎn)制造，甚至可以由不同的供應(yīng)商提供。

包旭升向媒體表示，Chiplet 是 SoC 中 IP 模塊的芯片化。例如一個(gè) SoC 芯片里面有不同的 IP 模塊，但現(xiàn)在不是所有的 IP 模塊都要做到 5nm 或更先進(jìn)制程，把有些 IP 模塊單獨(dú)拿出來做成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化功能的芯片，這個(gè)就可以稱為 Chiplet，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)化元件。

當(dāng)這個(gè)單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)化芯片制造完成之后，再在封裝里面和其它的功能模塊封到一起，做成 SiP。最后，當(dāng)封裝完成后，封裝里有 I/O、存儲(chǔ)、應(yīng)用處理或者是運(yùn)算芯片。其主要目的是為了提高良率和降低成本，同時(shí)提高設(shè)計(jì)的靈活度和降低設(shè)計(jì)的周期。

簡單來講，Chiplet 其實(shí)是 SiP 當(dāng)中的一種芯片，是 SiP 系統(tǒng)級(jí)封裝集成的典型結(jié)構(gòu)之一。

目前，Chiplet 封裝已經(jīng)快速興起并成為高性能運(yùn)算應(yīng)用的技術(shù)趨勢(shì)，但其所需的很多封裝工藝是 fab 前道制程的延續(xù)，多家 fab 廠、IDM 廠在積極地發(fā)展這種封裝結(jié)構(gòu)作為摩爾定律的延續(xù)，在這個(gè)領(lǐng)域封裝廠面臨很多挑戰(zhàn)。在可行性方面也常常受到片間互連的性能和可用性的限制。

封測廠在積極發(fā)展 2.5D/3D 封裝技術(shù)的同時(shí)，要更加著力發(fā)展異質(zhì)異構(gòu)的 SiP 模組技術(shù)，而成功導(dǎo)入 SiP 模組封裝，需要做好協(xié)同設(shè)計(jì) / 仿真、封裝材料的分析與選擇、高密度集成工藝的選擇、以及采用自動(dòng)化的制程來保證產(chǎn)品質(zhì)量等。

晶圓代工廠加入賽道

翻看芯片發(fā)展的歷史，其實(shí)先進(jìn)封裝這個(gè)概念已經(jīng)存在了數(shù)十年。

先進(jìn)封裝對(duì)延續(xù)摩爾定律生命周期的重要性，也引起了晶圓廠商和 IDM 廠商的重視。CINNO Rearch 指出，在后段異質(zhì)高階封裝技術(shù)水平越來越高的發(fā)展情況下，封裝勢(shì)必融入前段工藝，為客戶提供高經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)方式，這是晶圓廠商布局先進(jìn)封裝的優(yōu)勢(shì)所在。

從當(dāng)前行業(yè)趨勢(shì)可以看到，臺(tái)積電、三星、英特爾等廠商持續(xù)加碼先進(jìn)封裝，圍繞先進(jìn)封裝技術(shù)的爭奪愈加激烈。因此，我國封裝廠商需要卡位先進(jìn)封裝，把握市場機(jī)遇，提升在中高端市場的競爭力與國際話語權(quán)，推動(dòng)我國封測產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量、高端化發(fā)展。

晶圓級(jí)封裝和 3D 封裝作為未來主要的封裝趨勢(shì)之一，臺(tái)積電、中芯國際等晶圓代工廠和三星等 IDM 已有涉足，將成為推動(dòng)先進(jìn)封裝在高端市場滲透的重要力量。

對(duì)此，包旭升認(rèn)為，晶圓廠和 IDM 廠商入局封裝行業(yè)確實(shí)會(huì)給傳統(tǒng)封裝廠帶來沖擊，在 2.5D 和 3D 技術(shù)中涉及到許多中道封裝，實(shí)際上是前道封裝的一種延續(xù)，而晶圓廠在前道環(huán)節(jié)是有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的，比如硅轉(zhuǎn)接板（Si TSV Interposer）封裝、3D 微凸塊 micro-bumps，或者晶圓的 Wafer to Wafer 高密度連接。

但是，長電科技在內(nèi)的后道封裝廠商的優(yōu)勢(shì)在于異質(zhì)異構(gòu)的集成。無論是 Interposer 還是 Chiplet，如何把這些芯片用封裝工藝進(jìn)行高密度集成存在很大技術(shù)挑戰(zhàn)。后道封裝廠在解決這類難題時(shí)更有技術(shù)積累和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)來看，晶圓廠在 2.5D 和 3D 技術(shù)領(lǐng)域，利用自身優(yōu)勢(shì)，在中道晶圓級(jí)環(huán)節(jié)延續(xù)競爭力，對(duì)封裝廠產(chǎn)生一定影響。但作為封裝廠，也有在 2.5D 和 3D 后道封裝領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)壁壘，當(dāng)下很難判斷孰強(qiáng)孰弱。從供應(yīng)鏈角度考慮，行業(yè)客戶更多是期待專業(yè)化分工，希望晶圓廠專注做好芯片，封裝再單獨(dú)找其他廠商來做。

國產(chǎn)封裝材料大有可為

在封裝材料的分析與選擇方面，包旭升在分享中表示，5G 頻段對(duì)封裝材料的分析與篩選的要求提高了很多，封裝材料從主攻可靠性提升到需要兼顧可靠性和電性能。以導(dǎo)電和介質(zhì)材料為例：導(dǎo)電金屬材料，例如控制 Cu 表面粗糙度對(duì)減少信號(hào)傳輸損失更有效，材料選擇中也必須平衡材料特性和封裝可靠性。

從技術(shù)層面出發(fā)再到半導(dǎo)體材料封裝進(jìn)出口金額及規(guī)模，可以看到中國對(duì)于半導(dǎo)體封裝材料進(jìn)口量需求巨大。同時(shí)再對(duì)比進(jìn)出口單價(jià)情況，從 2017 年開始計(jì)算，出口單價(jià)僅為進(jìn)口價(jià)格的 60%，價(jià)格差距懸殊。也再次反映了中國雖然對(duì)于半導(dǎo)體材料的需求巨大，但由于目前技術(shù)能力有限所致進(jìn)出口貿(mào)易懸殊巨大，也因此存在巨大的國產(chǎn)替代空間。

就目前半導(dǎo)體封裝材料現(xiàn)狀來看，急需國產(chǎn)技術(shù)能力支持，材料量產(chǎn)的一致性和穩(wěn)定性也需對(duì)齊國際廠商。

本土封測產(chǎn)業(yè)困境與方向

當(dāng)前中國封裝產(chǎn)業(yè)還存在著許多挑戰(zhàn)：一是與國際大廠在先進(jìn)封裝技術(shù)的差距和市場份額需要進(jìn)一步縮??；二是產(chǎn)業(yè)鏈的完善程度有待提升，需補(bǔ)齊和加強(qiáng)在半導(dǎo)體封裝材料和設(shè)備領(lǐng)域的短板和弱項(xiàng)；三是人才供給全面緊缺；四是需加強(qiáng)對(duì) 3D IC 堆疊和 Fan-out 扇出封裝等先進(jìn)封平臺(tái)和技術(shù)的布局；五是供應(yīng)鏈的延伸導(dǎo)致封測產(chǎn)業(yè)的競爭加劇，晶圓跨界封裝越來越成為趨勢(shì)。

挑戰(zhàn)猶在，機(jī)會(huì)尚存。當(dāng)前，在新基建發(fā)展趨勢(shì)下，以新一代信息技術(shù)和數(shù)字化為核心，不僅是信息網(wǎng)絡(luò)融合創(chuàng)新演進(jìn)形成的新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，比如 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算等，還是信息技術(shù)賦能傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型升級(jí)形成的新型社會(huì)性基礎(chǔ)設(shè)施。

對(duì)于半導(dǎo)體封測行業(yè)而言，隨著新基建、5G 產(chǎn)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)，新的機(jī)遇和市場空間也會(huì)不斷涌現(xiàn)。新的市場機(jī)遇將推動(dòng)行業(yè)從百家爭鳴的狀態(tài)向縱深方向發(fā)展，進(jìn)一步聚焦自身特色，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的產(chǎn)品技術(shù)形式上，發(fā)揮出不同的企業(yè)特色。

包旭升強(qiáng)調(diào)，長電科技作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體微系統(tǒng)集成和封裝測試服務(wù)提供商，提供全方位的微系統(tǒng)集成一站式服務(wù)。除了系統(tǒng)級(jí)封裝，晶圓級(jí)封裝、3D 封裝也是封裝業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

長電科技的未來規(guī)劃自然也將圍繞市場趨勢(shì)方向，在做好原有業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)發(fā)力高性能、高密度的微系統(tǒng)集成封裝、晶圓級(jí)封裝、Chiplet 2.5D/3D 封裝，以及面向重點(diǎn)新型領(lǐng)域的工業(yè)、汽車領(lǐng)域的封裝業(yè)務(wù)和全面的技術(shù)支持與服務(wù)。

結(jié)語

如今，外部摩擦風(fēng)云變幻，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體成長放緩，全球半導(dǎo)體面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)能的重新分析。

從產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的角度來看，目前大部分集成電路封裝企業(yè)已經(jīng)將生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到亞洲，隨著代工模式的興起，我國封測企業(yè)將有更多的機(jī)會(huì)。

同時(shí)，現(xiàn)階段 5G、消費(fèi)電子愈發(fā)追求“小而精”的發(fā)展趨勢(shì)，先進(jìn)封裝技術(shù)勢(shì)必成為關(guān)注焦點(diǎn)，長電科技在這場競賽中已處于優(yōu)勢(shì)地位。