題圖來自:視覺中國
近年來,在各國自主可控的大旗下,全球最大的晶圓廠台積電的産能正在被各個國家 " 瓜分 "。台積電掌握着全球一半的芯片生産以及 90% 的先進芯片生産。這場由美國所掀起的産能瓜分大戰,硝煙還在彌漫。近日,據報道,美國亞利桑那州正在與台積電就建設先進封裝進行談判,一般而言,台積電是鮮少發表有關新聞或者工廠建設方面的信息,但是台積電在聲明中對與亞利桑那州州長富有成效的互動表示感謝,并表示對未來幾年建立更密切的關系仍然持樂觀态度。
随着摩爾定律走到極限,先進封裝已成爲延續摩爾定律的有力武器,是半導體創新、增強功能、性能和成本效益的關鍵。台積電的很多先進芯片工藝無不倚仗先進封裝技術的加持,例如,從早期台積電憑借 InFO 封裝技術,從三星口中虎口奪食搶到了蘋果 A11 處理器的代工肥單,據悉 InFO 封裝能讓 iPhone 手機處理器的厚度降低 30%。最近,CoWos 封裝技術又讓台積電獨攬英偉達 A100 和 H100 芯片大單,一時間無人能匹敵。
去年 12 月,爲了滿足其最大客戶蘋果的需求,台積電宣布将在亞利桑那州生産 4nm 芯片。而若無先進封裝技術支撐,這些芯片很可能需要運回中國台灣進行封裝。這意味着美國仍未達到他們所謂的半導體的自給自足。因此,美國政府開始對先進封裝下手,并嘗試拉攏台積電在美國設立先進封裝生産線。
如果該計劃實施,如同台積電被瓜分的産能,封裝也要保不住了嗎?
你不一定知道的封裝實力
對于外行人而言,提到中國台灣在半導體産業中的地位,可能無人不曉台積電這個全球最大的晶圓代工廠。但其實,中國台灣的集成電路發展卻是從封裝這一環節起步的。相對于芯片設計和制造,封裝和測試是一個資金相對較少、技術門檻相對較低的領域,因此很多中國台灣公司首先進入了這一領域。
中國台灣的封裝産業最早是在 20 世紀 70 年代興起。早期,封裝産業的發展主要依賴于外資公司在當地的投資與技術轉移。1996 年左右,中國台灣在高雄設立出口加工區,美國通用儀器來此設廠組裝晶體管,這成爲當地集成電路發展的起點。此後,由于當時中國台灣人工成本相比其他地區更加低廉,大約低 10%,于是美國的德州儀器和艾德蒙、荷蘭的飛利浦、日本的日立和三菱等紛紛進駐中國台灣建封裝廠。
在 80 年代,中國台灣引入了更先進的封裝技術,并逐漸與國際主流技術接軌。這一時期,許多海外封裝技術人員回到中國台灣,開始創立封測廠。如 1984 年日月光(ASE)和矽品(SPIL)成立,1987 年京元電子成立。在這一時期更重要的一個大事件是台積電的成立—— 1987 年,工研院和荷蘭飛利浦合資成立台積電,張忠謀擔任董事長兼 CEO。
90 年代,在台積電、聯電等本土晶圓代工廠的帶動下,封裝産業也逐漸形成産業集群,産業鏈得到完善。于是,又有多家封裝測試企業在這個時期崛起,如 1997 年颀邦科技、力成科技、南茂科技成立。
此後,這些封測廠商在台積電晶圓代工的帶動下,發展非常迅速。早期的台積電工作重心是在邏輯芯片制程上,因此,後端的封測就主要交給日月光、矽品、欣铨、台星科和京元電等專業的封測廠。
台積電工藝制程發展叠代史(圖源:台積電)
封測早已是中國台灣很重要的一個産業支柱。2022 年當地整個半導體業的産值是 1748 億美元,當然這不包括 ASML、美光、應用材料等外資企業在當地的營收,如果算上這些外資企業,那麽産值更大。在半導體的主力産業中,晶圓代工産值貢獻了 909 億美元,占半導體産業産值的 52%;封測貢獻 226 億美元,大約占據總産值的 13%;IC 設計業的産值是 398 億美元,占 22.8%。
在封測市場中,全球 TOP15 中有 6 家 OSAT 廠商都是中國台灣的企業。分别是日月光(ASE)、力成科技(powertech)、京元電子、欣邦科技(Chipbond)、芯茂科技(ChipMOS)、矽格股份(Sigurd)。而在 TOP15 之外,中國台灣還有超豐電子、華泰電子、同欣電子、欣铨、福懋科技等一衆封測企業。這些 OSAT 廠商共計拿下了全球一半的封測市場份額。
雖然台積電在先進封裝技術上已有顯著成就,但傳統的 OSAT 企業也幾乎與台積電同步加碼先進封裝。事實上,像台積電這樣的晶圓廠仍然與封測廠有緊密合作。例如,面對今年的 AI 芯片 A100 和 H100 的大量訂單,台積電單獨處理封測需求頗爲吃力,這使得日月光、矽品等封測公司也獲得了相應的機會和利益。
根據野村證券報告顯示,英偉達從第二季末就開始建構非台積電供應鏈,聯電将爲前端 CoWos 制程提供矽中介層,而 Amkor 和矽品則負責後端 CoWos 封裝,成爲一條非台積電 CoWos 供應鏈。據悉,台積電正攜手日月光投控旗下高雄廠、矽品增加先進封裝 CoWoS 相關産能。台積電 CoWoS 先進封裝月産能預計在今年底從 1 萬片增至 1.2 萬片,目标是明年底将産能提高到 2.5 萬片。而其他供應商有可能将其 CoWoS 月産能提高到 3 千片至 5 千片。
台積電靠先進封裝技術兩次甩開三星
台積電作爲晶圓代工的龍頭,對先進封裝的重視使得台積電兩次遠遠甩開三星。
第一次是憑借 InFO 封裝技術,獨拿蘋果兩代 iPhone 處理器訂單,在此前,iPhone 處理器是由三星來代工的。InFO 封裝技術能讓芯片與芯片之間直接連接,減少芯片的厚度,據了解,能從 1.2 或 1.3mm 降到 1mm,大約能降低 30% 的厚度,這給電池或其他零件騰出寶貴的手機空間。
第二次就是現在大火的 CoWos 封裝技術,這項封裝技術是台積電在 2011 年開始布局的。在當時的 2-3 年後 CoWos 封裝技術量産之時,并沒有很吃香,因爲價格太貴并沒有幾家能用的起,也可能是當時的芯片還在吃摩爾定律的紅利,并不需要如此先進的封裝。如今随着 AI 和 HPC 的發展,對更強大計算和更快信号傳輸速度的需求,需要将 HBM 和邏輯集成在一起,CoWos 封裝技術一炮而紅。這也再次讓台積電甩開三星,獨家包攬需求量巨大的英偉達 A100 和 H100 芯片。
台積電的 CoWoS-L 技術
在産能全開的情況下,預計生成式 AI 芯片的供應将持續緊張 18 個月,到明年二季度。爲此,台積電在今年 6 月新開設了一座大型封測廠。這是台積電第一座實現 3DFabric 的一體化自動化先進封裝和測試工廠前端到後端流程和測試服務的集成可以使用台積電的 SoIC、InFO 和 CoWoS 工藝。它的占地面積爲 14.3 公頃,是台積電迄今爲止最大的先進後端晶圓廠,潔淨室面積比台積電其他 4 座先進後端晶圓廠的總和還要大。台積電預計,Fab6 封測廠将具備每年生産超過 100 萬片 12 英寸晶圓等效 3DFabric 工藝技術的能力,以及每年超過 1000 萬小時的測試服務。
截至目前,台積電共計擁有 5 座先進封裝廠,分别位于新竹科學園區、台南科學園區、桃園市龍潭區龍園、中部科學園區、和苗栗縣竹南科學園。
先進封裝技術早已是半導體産業的下一個戰場。尤其晶圓代工廠商三星、英特爾、台積電等晶圓代工廠圍繞先進封裝技術的競争最爲激烈。據 Yole 預測,先進封裝市場在 2022 年價值 443 億美元,預計從 2022 年到 2028 年将以 10.6% 的複合年增長率(CAGR)增長至 786 億美元。相比之下,傳統封裝市場預計從 2022 年到 2028 年的複合年增長率将放緩至 3.2%,達到 575 億美元。
三家在專利方面的情況,根據 LexisNexis 的數據,台積電擁有數量最多的先進封裝專利,達 2946 項,台積電不僅在數量上領先,而且在專利質量上也領先,這是根據其他公司的引用頻率來衡量的。三星以 2404 項專利排名第二,英特爾在其先進封裝産品組合中以 1434 項專利排名第三。
英特爾近日計劃轉向玻璃基闆材料,這種材料比當前技術更硬,可以實現更好的芯片功能。據悉,與當今使用的有機基闆相比,玻璃基闆具有卓越的機械、物理和光學特性,允許在封裝中連接更多晶體管,從而提供更好的擴展性并能夠實現更多的系統級封裝。芯片架構師将能夠在一個封裝上以更小的占地面積封裝更多的小芯片,同時以更大的靈活性和更低的總體成本和功耗實現性能和密度增益。
三星電子也在加強對先進封裝技術的投資,于去年 12 月成立了先進封裝(AVP)組織,負責封裝技術和産品開發。據南韓媒體 etnews 報導,三星 AVP 業務團隊已經開始研發将 FO-PLP 先進封裝技術用于 2.5D 的芯片封裝上。憑借此技術,三星預計可将 SoC 和 HBM 整合到矽中介層上,進一步建構其成爲一個完整的芯片。除此之外,三星電機也在 FCBGA 封裝基闆上加強研發。三星還在打造一站式封裝服務的概念,并将提供定制封裝服務。
結語
如今,先進封裝技術的重要性不亞于晶圓廠,如果美國将台積電的先進封裝也拉攏過去,受影響的可能不隻是台積電一家,還有可能連帶着中國台灣多家 OSAT 的生意發生變數。但按照目前的态勢,再加上美國的意圖,如果在美國制造的芯片最終仍需要運回中國台灣進行封裝,那麽在美國建設晶圓廠幾乎就失去了意義。但是台積電去美國建設晶圓廠已經體驗到過程的艱辛,封裝廠也會面臨同樣成本高的境地,甚至會更嚴重,人才會是更大的問題。
本文來自微信公衆号:半導體行業觀察 (ID:icbank),作者:杜芹 DQ