芯片需求的激增正在影響IC封裝供應(yīng)鏈，造成精選制造能力、各種封裝類型、關(guān)鍵部件和設(shè)備的短缺。封裝方面的現(xiàn)貨短缺在2020年底浮出水面，此后蔓延到其他行業(yè)。目前，供應(yīng)鏈上出現(xiàn)了各種卡口。線束和倒裝芯片的產(chǎn)能在整個2021年都將保持緊張，還有一些不同的封裝類型。此外，IC封裝中使用的關(guān)鍵元件，即引線框架和基板，也是供不應(yīng)求。最近臺灣一家封裝基板廠發(fā)生的火災(zāi)使問題更加嚴重。除此之外，貼片機和其他設(shè)備的交貨周期也在延長。

一般來說，封裝方面的動態(tài)反映了半導(dǎo)體業(yè)務(wù)的整體需求狀況。從2020年中期開始，服務(wù)器和筆記本市場獲得了動力，為這些市場創(chuàng)造了對不同芯片和封裝的巨大需求。此外，汽車行業(yè)的突然回暖使市場發(fā)生了翻天覆地的變化，造成了芯片和代工產(chǎn)能的普遍短缺。

半導(dǎo)體和封裝市場的短缺并不新鮮，在IC產(chǎn)業(yè)的需求驅(qū)動周期中也會出現(xiàn)。不同的是，業(yè)界終于開始認識到封裝的重要性。但封裝供應(yīng)鏈某些環(huán)節(jié)的脆弱性，尤其是基板，讓許多人措手不及。

供應(yīng)鏈的限制已經(jīng)造成了一些出貨延遲，但目前還不清楚這些問題是否會持續(xù)下去。毋庸置疑，包裝供應(yīng)鏈亟待加固。首先，封裝在整個行業(yè)中發(fā)揮著更大的作用。OEM廠商希望芯片更小、更快，這就需要新的、更好的、具有良好電氣性能的IC封裝。

同時，先進的封裝正在成為開發(fā)新的系統(tǒng)級芯片設(shè)計的一個更可行的選擇。芯片擴展的功率和性能優(yōu)勢在每一個新的節(jié)點上都在減少，而自finFET推出以來，每個晶體管的成本一直在上升。因此，雖然擴展仍是新設(shè)計的一種選擇，但業(yè)界正在尋找替代方案，而將多個異構(gòu)芯片放在一個先進的封裝中就是一種解決方案。

"人們已經(jīng)意識到封裝的重要性，"TechSearch International總裁Jan Vardaman說。"它已經(jīng)提升到公司和半導(dǎo)體公司的企業(yè)層面的討論。但我們的行業(yè)正處于這樣一個關(guān)口，如果我們的供應(yīng)鏈不處于良好的狀態(tài)，我們根本無法滿足需求。"

為了幫助業(yè)界在市場上獲得一些啟示，《半導(dǎo)體工程》對目前封裝以及供應(yīng)鏈的動態(tài)進行了分析，包括產(chǎn)能、封裝和組件。

芯片/封裝熱潮

這是半導(dǎo)體行業(yè)的一次過山車之旅。在2020年初，業(yè)務(wù)看起來很光明，但在Covid-19大流行病爆發(fā)的情況下，IC市場下跌。

在整個2020年，不同的國家實施了一系列措施來緩解疫情，如留守訂單和企業(yè)關(guān)閉。經(jīng)濟動蕩和工作崗位的流失很快就出現(xiàn)了。

但到了2020年中期，由于留守經(jīng)濟帶動了電腦、平板電腦和電視的需求，IC市場反彈。根據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)，2020年，IC行業(yè)高調(diào)收官，芯片銷量比2019年增長了8%。

這種勢頭已經(jīng)延續(xù)到了2021年的前半段。根據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)，2021年半導(dǎo)體市場總共預(yù)計將增長11%。

"我們看到了巨大的需求，由于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣設(shè)備和5G實現(xiàn)的智能設(shè)備，"ASE首席運營官Tien Wu在最近的電話會議上表示。"隨著高性能計算、云計算、電子商務(wù)，以及5G的低延遲和高數(shù)據(jù)速率，我們看到了更多的智能設(shè)備、電動汽車以及所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。"

去年，汽車市場萎靡不振。最近，汽車公司的需求重新恢復(fù)，但他們現(xiàn)在面臨著一波芯片短缺。在某些情況下，汽車制造商被迫暫時關(guān)閉部分工廠。

擁有晶圓廠的IC廠商以及代工廠無法滿足汽車和其他市場的需求。"在2020年日歷的大部分時間里，晶圓廠以非常高的利用率運行--無論是200mm還是300mm晶圓廠--幾乎所有技術(shù)都是如此，"聯(lián)電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Walter Ng表示。"汽車領(lǐng)域絕不是被單獨挑出來的，因為所有領(lǐng)域和應(yīng)用似乎都在供應(yīng)緊張的情況下運行。去年下半年確實有許多汽車廠因COVID而停工。我們觀察到許多汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商在這些時期減少或停止訂貨。如果你考慮到這一點，再加上汽車行業(yè)的精簡庫存做法，這些可能是導(dǎo)致我們今天看到的汽車特定短缺的因素。"

有一些警告信號。"我們看到汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商的需求在20年第二季度初左右開始波動。直到20年第4季度初左右，我們才看到汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商的需求開始恢復(fù)到更典型的需求水平。"Ng說。"作為一個總的趨勢，我們看到汽車電子領(lǐng)域有不錯的增長，它涵蓋了從0.35微米分立MOSFET器件到28納米/22納米ADAS產(chǎn)品以及介于兩者之間的所有工藝技術(shù)，如車身和底盤控制、信息娛樂和WiFi。我們預(yù)計，在可預(yù)見的未來，汽車用半導(dǎo)體含量將繼續(xù)增長。"

所有這些市場都刺激了對封裝容量和封裝類型的需求。量化產(chǎn)能的一種方法是看工廠利用率。

全球最大的OSAT公司ASE，其整體工廠利用率從2020年第一季度的75%提高到80%，到去年第二季度達到85%左右。到了第三季度和第四季度，ASE的包裝利用率遠遠超過80%。

在2021年上半年，包裝產(chǎn)能的整體需求仍然強勁，在一些細分市場看到供應(yīng)緊張。"我們看到產(chǎn)能幾乎全面緊張，"Amkor線束BGA產(chǎn)品副總裁Prasad Dhond說。"除汽車外，大多數(shù)終端市場在整個2020年都保持強勁。在2021年，我們繼續(xù)看到這些市場的強勢，汽車也已經(jīng)復(fù)蘇。因此，汽車市場的回暖肯定會增加產(chǎn)能的限制。"

其他方面，包括在岸包裝廠商，也看到了需求的增加。"美國本土包裝產(chǎn)能似乎保持穩(wěn)定，"Quik-Pak銷售和營銷副總裁Rosie Medina說。"每個人都在盡其所能管理增加的需求。"

線框、引線框架短缺

市場上存在多種不同的IC封裝類型，每種類型針對不同的應(yīng)用。

一種細分封裝市場的方法是按互連類型劃分，其中包括線鍵、倒裝芯片、晶圓級封裝（WLP）和通硅孔（TSV）。互連器件用于將一個芯片與另一個封裝中的芯片連接起來。TSV的I/O數(shù)量最多，其次是WLP、倒裝芯片和wirebond。

根據(jù)TechSearch的數(shù)據(jù)，目前大約75%到80%的封裝是基于線鍵的。早在20世紀50年代就開發(fā)出來的wire bonder，是用細小的導(dǎo)線將一個芯片縫合到另一個芯片或基板上。線材鍵合主要被用于低成本的傳統(tǒng)封裝、中端封裝和內(nèi)存裸片堆疊。

2020年上半年，線鍵產(chǎn)能需求低迷，但2020年第三季度需求激增，導(dǎo)致線鍵產(chǎn)能趨緊。ASE當(dāng)時表示，至少在2021年下半年之前，線束產(chǎn)能都將保持緊張。

線束市場還出現(xiàn)了其他趨勢。"我們所做的堆疊模具數(shù)量比以前更多，"ASE的Wu在2020年第三季度的電話會議上說。"所以在這個特殊的周期中，不僅僅是數(shù)量。還包括模具數(shù)量、線材數(shù)量以及復(fù)雜性。"

到目前為止，在2021年，由于汽車和其他市場的繁榮，線束產(chǎn)能受到限制。采購足夠的線束機來滿足需求也變得越來越困難。

"產(chǎn)能仍然緊張，"ASE的Wu在最近的電話會議上說。"上次我做了一個評論，線棒短缺至少會到今年第二季度。現(xiàn)在，我們稍微調(diào)整了我們的觀點。我們認為，線型債短缺將貫穿2021年全年。"

在2020年初，采購線棒相對容易。隨著2020年下半年需求的回升，線束機刀具交貨期延長至6至8個月。"現(xiàn)在，機床交貨周期更像是6到9個月。"Wu說。

貼線機用于制造多種封裝類型，如四平無引線（QFN）、四平封裝（QFP）等。

QFN和QFP屬于封裝類型中的引線框架組。引線框架是這些封裝的關(guān)鍵部件，基本上是一個金屬框架。在生產(chǎn)過程中，模具被連接到框架上。引線通過細線連接到芯片上。

圖1.QFN封裝。

圖2.QFN側(cè)視圖。

"通常情況下，QFN是線接的，盡管你也可以設(shè)計成倒裝芯片，"Quik-Pak的Medina說。"雖然倒裝芯片QFN可以比線接QFN更小的尺寸/腳印，但它們的制造成本更高一些，因為需要凸起的模具。很多客戶會選擇QFN，因為其尺寸小，性價比高。傳統(tǒng)的包覆式QFN格式是許多應(yīng)用的經(jīng)濟選擇。當(dāng)標(biāo)準JEDEC尺寸不適用時，定制尺寸也可以被認為是經(jīng)濟的，例如我們的開模塑料封裝（OmPP）。這些有各種JEDEC格式和定制配置。"

引線框封裝用于模擬、射頻和其他市場的芯片。"我們看到對QFN封裝的需求比以往任何時候都要強烈，"Medina說。"它們被用于許多終端市場，如醫(yī)療、商業(yè)和mil/aero。手持設(shè)備、可穿戴設(shè)備和帶有許多組件的電路板都是主要應(yīng)用。"

不過在景氣周期中，面臨的挑戰(zhàn)是如何從第三方供應(yīng)商那里獲得充足的引線框架供應(yīng)。引線架業(yè)務(wù)是一個低利潤的領(lǐng)域，經(jīng)歷了一波整合。一些供應(yīng)商已經(jīng)退出了該業(yè)務(wù)。

如今，QFN封裝需求旺盛，這就產(chǎn)生了對更多引線框架的需求。雖然一些包裝廠能夠獲得足夠的引線框架，但其他包裝廠卻出現(xiàn)了短缺。

"引線框架供應(yīng)緊張，"Amkor的Dhond說。"供應(yīng)商的產(chǎn)能無法跟上需求。貴金屬價格上漲也在影響鉛框價格。"

先進封裝、基材困境

許多先進封裝類型的需求也很旺盛，特別是倒裝球柵陣列(BGA)和倒裝芯片級封裝(CSP)。2.5D/3D、扇出和系統(tǒng)級封裝(SiP)的產(chǎn)量也在增加。

倒裝芯片是一種用于開發(fā)BGA和其他封裝的工藝。在倒裝芯片工藝中，銅凸塊或支柱形成在芯片之上。器件被翻轉(zhuǎn)并安裝在一個單獨的芯片或電路板上。凸點落在銅墊上，形成電氣連接。

圖3：倒裝芯片安裝的側(cè)視圖。

根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)，在汽車、計算、筆記本等產(chǎn)品的推動下，倒裝芯片BGA封裝市場預(yù)計將從2020年的100億美元增長到2025年的120億美元。

"倒裝芯片產(chǎn)品的整體產(chǎn)能在2021年將繼續(xù)以高利用率運行，設(shè)備交貨期將推到大于我們通常經(jīng)歷的2倍，"Amkor高級副總裁Roger St.Amand說。"根據(jù)現(xiàn)有的預(yù)測，我們預(yù)計這一趨勢將持續(xù)到2021年，并進入2022年，這是由通信、計算和汽車市場領(lǐng)域的更高需求所推動的。總的來說，我們在所有倒裝芯片封裝技術(shù)中都看到了這種趨勢。"

同時，扇出式和扇入式封裝是基于一種名為WLP的技術(shù)。在扇出的一個例子中，一個存儲器裸片被堆疊在一個封裝的邏輯芯片上。扇入式，有時稱為CSP，用于電源管理IC和射頻芯片。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，WLP市場總共預(yù)計將從2019年的33億美元增長到2025年的55億美元。

2.5D/3D封裝用于高端服務(wù)器和其他產(chǎn)品。在2.5D中，模具被堆疊或并排放置在中間體之上，中間體包含TSV。

同時，SiP是一種定制的封裝，它由一個功能性電子子系統(tǒng)組成。"我們看到各種新的SiP項目，涵蓋了光學(xué)、音頻和硅光子學(xué)，以及很多智能手機邊緣設(shè)備，"ASE的Wu說。

這些先進的封裝類型中，很多都使用了層壓基板，而層壓基板是供不應(yīng)求的。其他封裝則不需要基板。這取決于應(yīng)用。

基板在封裝中作為基礎(chǔ)，它將芯片與系統(tǒng)中的電路板連接起來。基板由多層組成，每一層都包含金屬線和通孔。這些路由層提供了從芯片到電路板的電氣連接。

層壓基板是雙面或多層產(chǎn)品。有些封裝有兩個雙面層，而更復(fù)雜的產(chǎn)品有18至20層。層壓基板基于各種材料組，如味之素（ABF）建立材料和BT樹脂。

一般來說，在供應(yīng)鏈上，包裝廠從各種第三方供應(yīng)商那里購買基材，如Ibiden、Kinsus、Shinko、Unimicron等。

去年，當(dāng)對層壓基板的需求激增時，問題開始浮出水面，導(dǎo)致這些產(chǎn)品的供應(yīng)緊張。去年年底，臺灣尤尼姆龍公司旗下的一家生產(chǎn)工廠發(fā)生火災(zāi)，問題升級。Unimicron將生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到其他工廠，但一些客戶仍無法獲得足夠的基板以滿足需求。

最近幾周，Unimicron同一工廠又發(fā)生了一起火災(zāi)，當(dāng)時工人們正在清理工廠。不過當(dāng)時該工廠并沒有在生產(chǎn)。

持續(xù)的需求，再加上供應(yīng)鏈上的各種阻礙，使得2021年的基板形勢大為惡化。在某些情況下，隨著交貨期的延長，基板的價格也在上漲。

"與我們在設(shè)備方面所經(jīng)歷的情況類似，我們看到倒裝芯片基板的交貨時間也有相當(dāng)大的增長，"Amkor的St.Amand說。"在某些情況下，襯底交付時間增加到超過行業(yè)內(nèi)通常的4倍。這一趨勢主要是由計算領(lǐng)域?qū)Υ篌w量和高層數(shù)單片ABF基板的持續(xù)較高需求所驅(qū)動。此外，我們還看到汽車行業(yè)的強勁復(fù)蘇，在某些情況下，這與上述高端計算機基板的需求直接競爭。我們還看到，在通信、消費和汽車領(lǐng)域，對用于車身較小的產(chǎn)品的帶狀PPG基板的需求也在增加。"

與此同時，業(yè)界正在研究解決這一問題的方案，但這些方法可能會有欠缺。"我認為，IC封裝基板的商業(yè)模式基本上已經(jīng)被打破了，"TechSearch的Vardaman說。"我們需要有某種新的方法來處理這些商業(yè)關(guān)系，以保證供應(yīng)。我們在價格上幾乎把這些可憐的基板供應(yīng)商打得落花流水。他們已經(jīng)無法維持他們的利潤率。這不是一個健康的局面。"

這里沒有快速解決的辦法。基板供應(yīng)商可以簡單地提高產(chǎn)品價格以提高利潤率，但這并不能解決產(chǎn)能問題。

另一個可能的解決方案是基板供應(yīng)商建立更多的制造能力以滿足需求。但一條大規(guī)模的先進襯底生產(chǎn)線的成本約為3億美元。

"如果這些基板公司認為產(chǎn)能在兩三年內(nèi)不會被利用，那么所需的投資水平就不會讓他們感到舒服。"Vardaman說。"他們需要獲得投資回報，如果他們認為需求會減少，那就很難做到。而當(dāng)他們投資了太多的產(chǎn)能，然后價格下跌，會發(fā)生什么？他們無法獲得回報，利潤率也會受到影響。所以這是一個非常艱難的局面。我想說的是，我們這個行業(yè)的情況真的很糟糕，因為這個原因。"

一個成本較低的選擇是簡單地提高現(xiàn)有基板生產(chǎn)線的良率，從而實現(xiàn)更多可用產(chǎn)品。但供應(yīng)商需要在新的昂貴的計量設(shè)備上投入更多。

包裝廠也在尋找不同的解決方案。最明顯的一種是向不同的供應(yīng)商采購基材。但據(jù)Vardaman介紹，要想獲得一個新的基材供應(yīng)商的資格，需要25周或25萬美元。

另外，封裝廠可以開發(fā)和銷售更多的無基板IC封裝。但許多系統(tǒng)需要帶有基板的封裝，在某些情況下，這種封裝更加堅固可靠。

情況并非毫無希望。封裝廠需要與供應(yīng)商更緊密地合作。"我們正在與客戶合作，以獲得更長期的預(yù)測來訂購材料，"Amkor的Dhond說。"我們正在限定第二來源，以保證適當(dāng)?shù)墓?yīng)。"

這也創(chuàng)造了一些新的機會。Quik-Pak公司去年推出了一項基板設(shè)計、制造和組裝服務(wù)。通過這項服務(wù)，該公司支持各種類型的封裝基板。"我們肯定看到了對我們的基板開發(fā)服務(wù)的需求增加，通過這種服務(wù)，我們?yōu)榛诨宓慕M裝創(chuàng)造交鑰匙解決方案，以適應(yīng)客戶的包裝要求，"Quik-Pak的Medina說。"我們能夠?qū)⒖蛻舻囊蠹性谝黄穑⒗脙r格和交貨期來選擇合適的晶圓廠合作伙伴，這對于將基板的供應(yīng)保持在合理的交貨期內(nèi)至關(guān)重要。美國本土供應(yīng)商可以將交貨期縮短50%以上。"

顯然，對包裝的需求已經(jīng)急劇上升，但行業(yè)必須加強供應(yīng)鏈。否則，包裝廠商將面臨更多的延誤，甚至失去機會。不利的一面是，所有這些都需要更多的投資，為了達到一定的規(guī)模，可能需要對某些細分領(lǐng)域的廠商基礎(chǔ)進行整合。但這也為新的和更多的創(chuàng)新方法打開了大門，這對實現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要。

編輯：hfy