最近幾年，臺積電在晶圓廠代工領域發(fā)展的如火如荼，國內晶圓廠在這方面與臺積電的差距越來越大。但其實除了在代工領域，大陸在先進封裝上也正在被如三星和臺積電這些企業(yè)拉開距離。摩爾定律發(fā)展到今天，越來越多的先進技術成為驅動制程向前邁進的關鍵因素，在這其中，先進封裝首當其沖。在先進制程和先進封裝的雙輪驅動下，中國大陸晶圓廠的一道“新鴻溝”日漸淡出！

晶圓廠為何要進攻先進封裝？

隨著摩爾定律演進的技術難度和投資規(guī)模不斷提高，半導體行業(yè)正越來越依賴于封裝技術的發(fā)展。過去，晶圓代工與封裝廠基本都是各司其職，但隨著終端對芯片要求的提升，一方面，處理器所存在的“內存墻”問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越來越復雜，晶體管數(shù)越來越多，再加上先進半導體工藝的價格昂貴，處理器良率提升速度差強人意。

集成電路設計的復雜性和流片成本不斷提高，微系統(tǒng)集成封裝和系統(tǒng)組裝的作用越來越大。集成電路和封裝的協(xié)同設計已成為產品成功的關鍵。在這一背景下，以臺積電、英特爾、三星為代表的三大芯片巨頭正積極探索 3D 封裝技術及其他先進封裝技術。

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

集成電路封裝工藝發(fā)展歷程

接下來我們簡單再來看下這幾大類先進封裝的主要內容。

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

再就是2.5D/3D先進封裝集成，新興的2.5D和3D技術有望擴展到倒裝（FC）芯片和晶圓級封裝（WLP）工藝中。通過使用內插器（interposers）和硅通孔（TSV）技術，可以將多個芯片進行垂直堆疊。據(jù)報道，與傳統(tǒng)包裝相比，使用3D技術可以實現(xiàn)40～50倍的尺寸和重量減少。

最后是三維高密度系統(tǒng)級封裝（SiP/SoP），SiP是IC封裝領域的最高端的一種新型封裝技術，它將一個或多個IC芯片及被動元件整合在一個封裝中，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導體生產工藝的優(yōu)勢。SiP封裝也成為了實現(xiàn)高性能、低功耗、小型化、異質工藝集成、低成本的系統(tǒng)集成電子產品的重要技術方案。國際半導體技術路線（ITRS）已經明確SiP/SoP 將是未來超越摩爾（More than Moore）定律的主要技術。

龐大的市場發(fā)展規(guī)模也是三星和臺積電等晶圓廠大力發(fā)展的原因。根據(jù)Yole最新預測，從2018-2024年，整個半導體封裝市場的營收將以5%的復合年增長率（CAGR）增長，而先進封裝市場將以8.2%的復合年增長率增長，市場規(guī)模到2024年將增長至436億美元。在各種先進封裝平臺中，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。而占據(jù)先進封裝市場主要市場份額的倒裝芯片（Flip-chip）封裝，將以約7%的復合年增長率增長。與此同時，扇入型晶圓級封裝（Fan-in WLP）主要受到移動市場驅動，也將以7%的復合年增長率增長。

2014-2024先進封裝按不同平臺收入劃分

三星、臺積電等晶圓廠走在先進封裝前列

在先進封裝的征程上，臺積電和三星無疑走在時代前列。臺積電在Fan-out和3D先進封裝平臺方面已處于領先地位，其先進封裝技術儼然已成為一項成熟的業(yè)務，并為其帶來了可觀的收入。三星的FO-PLP技術也已用于自家的手表中。

對先進封裝技術的重視，臺積電是第一人，也成為其甩開三星、英特爾的主要差異點。自2011年臺積電引入CoWoS作為用于異構集成的硅接口的高端先進封裝平臺以來，開創(chuàng)了從InFO（及其多個版本的InFO- os、InFO- aip）到SoIC，再到3D多棧（MUST）系統(tǒng)集成技術和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)臺積電官網的最新信息顯示，他們目前有4座先進的芯片封測工廠，新投產兩座之后，就將增加到6座。外媒的報道還顯示，臺積電計劃在明后兩年投產的兩座芯片封裝工廠，將采用3D Fabric先進封裝技術。在8月底的臺積電2020年度的全球技術論壇和開放創(chuàng)新平臺生態(tài)系統(tǒng)論壇期間，他們公布了這一先進的封裝技術。

而三星則主要布局在面板級扇出型封裝（FOPLP），三星在FOPLP投資已超過4億美元。三星的FOPLP是與臺積電InFO-WLP所對標的，都是用于手機芯片的封裝技術。另一方面，三星電子為擴大半導體封裝技術陣容，不僅開發(fā)FOPLP，也開發(fā)FOWLP技術。還在2019年上半年收購子公司三星電機的半導體封裝PLP事業(yè)，不斷加強封裝的實力。

2019年10月，三星宣布，已開發(fā)出業(yè)界首個12層3D-TSV（硅穿孔）技術。三星的這項新創(chuàng)新被認為是大規(guī)模生產高性能芯片所面臨的的最具挑戰(zhàn)性的封裝技術之一，因為它需要極高的精度才能通過擁有60，000多個TSV孔的三維配置垂直互連12個DRAM芯片。其封裝的厚度（720?）與當前的8層高帶寬存儲器（HBM2）產品相同，這在元器件設計上是一項重大進步。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品，而無需更改其系統(tǒng)配置設計。

三星的3D-TSV（硅穿孔）技術

除了臺積電和三星，英特爾也發(fā)布了3D封裝技術Foveros，首次在邏輯芯片中實現(xiàn)3D堆疊，對不同種類芯片進行異構集成。而大陸的晶圓廠在先進封裝技術上似乎比較低調，據(jù)了解，國內的晶圓廠方面，武漢新芯是在為圖像傳感器和高性能應用提供3D IC TSV封裝。未來幾年，先進封裝將成為半導體一線龍頭廠商之間競爭的焦點。

拉開與大陸晶圓廠的工藝差距，危及封裝上的優(yōu)勢

臺積電和三星等晶圓廠在先進封裝技術上的布局，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，這也使得我們大陸晶圓廠在工藝上的差距與他們越來越遠。就14nm而言，臺積電早于2014年已經開始量產，今年更開始量產5nm制程，占公司營收比重預計為8%，公司預計3nm制程明年試產，2022年下半年量產。相比之下，中芯國際比臺積電落后6年，而該公司早前宣布計劃今年第4季試產臺積電已經量產多時的7nm芯片。

更令人深思的是，他們這些晶圓廠殺入先進封裝領域，會不會磨平我們在封裝測試上好不容易積攢下來的優(yōu)勢。封裝測試領域作為我國集成電路產業(yè)鏈中最具競爭力的環(huán)節(jié)，已成為我國半導體產業(yè)的先行推動力，正在推動半導體其他環(huán)節(jié)快速發(fā)展。

由于芯片制造領域涉及的技術難度較高，國內與國外水平相差較大，短時間內難以趕超，而產業(yè)鏈后端環(huán)節(jié)封裝測試領域技術含量相對較低。對于封裝廠商來說，只要芯片生產出來就要封裝，且相對于制造業(yè)和設計業(yè)來講，它的投資少、技術相對簡單，勞動力用得較多，適合中國國情，是一條快速發(fā)展半導體產業(yè)的成功捷徑，因而成為我國重點突破領域。

近年來國內集成電路行業(yè)蓬勃發(fā)展，封測產業(yè)也一直保持高速發(fā)展，從2004年至今，我國半導體封測行業(yè)一直保持高速發(fā)展，年復合增長率為15.8%。根據(jù)半導體協(xié)會統(tǒng)計，2019年我國集成電路產業(yè)規(guī)模達到7591.3億元，其中封裝測試產業(yè)市場規(guī)模達到2494.5億元。另據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會封裝分會的統(tǒng)計，截至2019年年底，我國有一定規(guī)模的封裝測試企業(yè)共有87家，其中本土企業(yè)或內資控股企業(yè)有29家，年生產能力1464億塊。

在全球封測市場中，中國臺灣，中國大陸和美國占據(jù)主要市場份額，其2019年市占率具體分別如下：

根據(jù)ChipInsights數(shù)據(jù)，2019年中國內資封裝測試代工排名前十廠商為：長電科技、通富微電、華天科技、頎中科技、華潤封測事業(yè)部、能甬矽電子、蘇州晶方、池州華宇、蘇州科陽、利揚芯片。在前十大封測企業(yè)中有長電科技、華天科技和通富微電三個企業(yè)進入先進封裝的陣列。

長電科技通過收購星科金朋，在5G通信類、高性能計算、消費類、汽車和工業(yè)等重要領域擁有行業(yè)領先的半導體高端封裝技術（如SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP及開發(fā)中的2.5D/3D封裝等）以及混合信號/射頻集成電路測試和資源優(yōu)勢，并實現(xiàn)規(guī)模量產，能夠為市場和客戶提供量身定制的技術解決方案。

在5G移動終端領域，長電科技的高密度系統(tǒng)級封裝SiP技術，配合多個國際高端客戶完成多項5G射頻模組的開發(fā)和量產，已應用于多款高端5G移動終端。并且在移動終端的主要元件上，基本實現(xiàn)了所需封裝類型的全覆蓋。公司的手機端高密度AiP方案已驗證通過并進入量產階段；此外公司還擁有可應用于高性能高像素攝像模組的CIS工藝產線。

在晶圓級封裝上，長電科技有用于晶圓級制造的創(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，同時簡化了供應鏈，并顯著降低了常規(guī)制造流程無法實現(xiàn)的成本降低。長電科技可為eWLB（嵌入式晶片級球柵陣列）、eWLCSP（封裝的晶片級芯片規(guī)模封裝）、WLCSP（晶片級芯片規(guī)模封裝）、IPD（集成的無源器件）、ECP（封裝的芯片封裝）、RFID（射頻識別）等提供晶圓級封裝。此外，長電科技成功于2020年4月通過全球行業(yè)領先客戶的認證，實現(xiàn)雙面封裝SiP產品的量產。

據(jù)長電科技2020年上半年財報中顯示，長電科技表示2020年下半年將繼續(xù)深化總部功能整合，加大先進封裝工藝及產品的研發(fā)投入，積極搭建設計服務新業(yè)務平臺，不斷強化長電科技核心競爭力并在工廠端落實。

天水華天這些年也在不斷加強先進封裝技術和產品的研發(fā)力度，通過實施國家科技重大專項02專項等科技創(chuàng)新項目以及新產品、新技術、新工藝的不斷研究開發(fā)，公司自主研發(fā)出FC、Bumping、MEMS、MCM（MCP）、WLP、SiP、TSV、Fan-Out等多項集成電路先進封裝技術和產品。華天科技2020年上半年在先進封裝方面的研發(fā)費用達2億元，同比增長15.41%，占營業(yè)收入比例為5.4%。

2020年上半年，通富微電在2D、2.5D封裝技術研發(fā)上取得突破，如超大尺寸FCBGA已進入小批量驗證；Si Bridge封裝技術研發(fā)拓展，并布局了多個具有獨立產權的專利族；Low-power DDR、DDP封裝技術研發(fā)取得突破；還進行了Fanout封裝技術的多種工藝研發(fā)，具體應用在CIS、壓力傳感器、光電心率傳感器中，計劃2020年底前完成部分模塊的打樣；還搭建了國際領先的SiP封裝技術設計仿真平臺及專業(yè)技術團隊，具備SiP系統(tǒng)級封裝設計及復雜封裝設計的評估能力。

結語

整體來看，大陸與國際大廠在先進封裝技術上還是有一定的差距。供應鏈的延伸正在導致封測產業(yè)的競爭加劇，晶圓跨界封裝越來越成為趨勢。大陸晶圓廠本身在晶圓工藝上就有所差距，而隨著三星和臺積電等晶圓大廠逐漸向先進封裝邁進，或許將成為大陸晶圓廠新的“鴻溝”。
責任編輯:tzh