2018封装的挑战 | 智慧产品圈

原创 韩继国 2018-01-22
标签 半导体 IC

  产能不足,价格压力,不断增加的投资,以及更多封装形式的选择,这些因素加起来使得2018年对于OSAT行业来说是一个非常有趣的年份。

  在半导体行业发展缤纷多彩的变化中,2018的IC封装市场预计将获得稳定增长。

  半导体封装和测试外包(The outsourced semiconductor assembly and test,OSAT)行业,这个为第三方提供封装测试服务的行业,已经整合了一段时间。因此在销售量增长的同时,企业的数量却在下降。例如,在2017年底,世界最大的OSAT企业“先进半导体工程(Advanced Semiconductor Engineering,ASE)”,即将完成对世界第四大OSAT公司“矽品精密工业(Siliconware Precision Industries, SPIL)”的收购。此外,Amkor,JCET和其他osats最近也相继完成了各自的收购。

  这个强劲的2017年,对其他的OSATs企业来说是一个好兆头。集成电路封装的整体前景与半导体行业的需求前景紧密相连。据VLSI Research预计,(全球)集成电路产业在2018达到3769亿美元,比2017年增长7.8%以上。

  至少在未来的几个月里,这种增长将有所放缓。需求上升导致芯片制造产能不足,各种封装类型、引线框架和设备短缺。然而,基于IC Forecasts的预测,OSATs产业还是相对乐观的。

  “对2018我们抱谨慎乐观的态度。看起来它更像是一个坚实的一年,”星科金朋(STATS ChipPAC)的全球产品技术营销副总裁Scott Sikorski说。“OSATs营收往往与IC的营收相关,特别是逻辑IC。你所看到的2018是一个高的纯逻辑电路的预测。当然,存储器可能就大大不同了,就像2017年一样。无论如何,OSATs应该有一个相似的2018,这也是在高的纯逻辑电路的预测范围内。”

  根据里昂证券分析师Sebastian Hou预测,OSAT产业将从10%增长到12%,2017的收入超过2016。2018 OSAT市场预计将会降温,增长5%至7%。


图1:OSAT产业增长率  来源:里昂证券

  像过去的几年一样,2018 OSATs将面临不少挑战。首先,他们必须跟上行业的持续发展需求。其次,他们还必须继续开发新的和先进的封装技术。由于成本的压力,许多IC制造商正在寻找用领先的系统级芯片(SOC)替代传统的芯片。获得体积缩放好处的一种方法是将多个芯片放入一个高级封装中,它可以以更低的成本提供SoC的功能。

  但要开发这些先进的封装类型,以及最先进的SoC,在每个节点将变得越来越有挑战性。它需要巨大的投资,虽然投资回报率(ROI)有时并不清楚。“随着系统的日益普及,封装的要求,社会的要求和SiP(System in Packaging)系统的要求,这些都需要进化,”ASE的首席运营官Tien Wu,在最近的一次演讲时说。“(这些技术)需要更便宜、更小、更可靠、耗能少。这些都是整个生态系统和社会所面临的挑战。”

  不断变化的地

  IC封装市场,包括所有封装的类型,2016年间达到546亿美元。根据Yole Développement的预测,从2016年到2022年将以3.5%的增长率继续增长。

  先进封装市场的增长高于整体市场增长的速度。“如果你只专注于先进的封装技术,它在2016是一个225亿美元的业务量,2016至2022%的年增长率为7%,”Yole的分析师Jér?me Azémar说。

  根据其最新的预测,KeyBanc Capital Markets认为OSATs的资本支出2017将达到26亿9800万美元,比2016同比下降2%。2018 OSATs资本支出预计将达到27亿4200万美元,同比增长4%,根据KeyBanc。

  “从2017到2018, 资本支出将趋于稳定,”根据TEL NEXX战略业务发展总监Cristina Chu的观点。先进的封装,如2.5D、扇出和SiP将“推动整个封装设备市场,”Chu说。

  其他人也同意这一观点。“在这阶段,我们看到在先进封装技术和产能进行投资的方略,如扇出WLP(晶圆级封装)和2.5D,”科天公司的高级营销总监Stephen Hiebert说。“此外,我们看到了中国强大的OSAT先进封装产能的投资,以匹配正在建设的中国的前端晶圆厂项目。”

  此外,IC封装不再只是一个市场驱动。“现在不只专注于移动市场,像过去几年那样,我们预计,封装设备的企业受到了来自各个领域的推动-5g,AI,物联网、汽车和VR / AR等等,” Hiebert说。

  还有其他驱动因素。“汽车产业对汽车走向自主驾驶、电气化很有兴趣。在机器学习方面,有很多封装的挑战。它往往是I/O和计算密集型的,”星科金朋的Sikorski说。“最大的惊喜和一个有最商业化的后果,是电子货币挖矿业务。它已经为代工厂和封装产业带来了大量的业务。”

  比特币和其他电子网络货币的交易,交易记录在一个叫blockchain的安全帐户上,然后一个称为“挖矿机”的第三方,使用运行哈希算法的特种计算机架构验证事务,每个系统包括100至250个ASIC。

  除了市场驱动,封装客户也需要密切关注OSAT地标的变化特征。和从前一样,有三种类型的实体提供芯片封装和测试服务:OSATs、代工厂、集成器件制造商(IDM)。

  OSATs是商业厂商。在最近的一次统计中,市场上有超过100家不同的OSATs。少许OSTAs是大厂,大多数都是小到中型的玩家。


图2:2017 OSAT供应商收入排名(以百万美元计) 来源:TrendForce

      一般来说,只有IDM开发自己的集成电路产品封装。一些代工厂,如英特尔、三星和台积电,为客户提供芯片封装和测试服务的一站式方案。而大多数工厂不为客户开发芯片封装,相反,他们把封装的需求交给OSATs。


  不管怎样,封装是个棘手的业务。客户希望OSATs每年削减2%至5%的封装价格。同时,OSATs还要面对急剧增加的研发成本和资本支出。以前OSATs花数百万美元就可以建立一个生产线,今天为先进封装建造一条新的生产线需要花费1亿到2亿美元。为此,OSATs必须购买一系列新的和昂贵的设备。

  OSATs正在投资新工厂,但一般来说,他们没有足够的财力投资每一项技术,因为它们的利润率较低。所以OSATs必须谨慎地花费他们的研发经费以确保回报。“朝着新技术、高端封装解决方案的转型,驱动了增加资本支出的需要,这将成为OSAT行业的一个挑战,”Lam Research的先进封装副总裁Choon Lee说。

  与此形成对比的是,英特尔、三星和台积电等实力更强的生产商正在向IC封装投入数百万美元,如果不是数十亿美元的话。通常情况下,代工厂开发和提供先进的封装技术,这使得它们与OSATs产生竞争。

  总之,只有少数OSATs能担负得起先进封装所必要的投资,事实上,许多OSATs难以跟上所有封装类型所需的投资。

  这正在成为供应链关注的问题。“潜在的半导体供应商,如晶圆衬底供应商甚至OSATs,真的没有能力做到连续定期地投资。随着需求的持续增长,这些薄弱环节可能需要一些支持和投资来升级和扩张,”美国联华电子的销售副总裁Walter Ng说。“然而,在大多数情况下,当需求持续超过供应,价格的压力仍在持续。在不久的将来,将会出现一个新的平衡,需要进行投资,从而导致价格上涨。”

  除了OSATs,NG是指硅片供应商。经过多年的供大于求,硅晶片厂商看到强劲的需求。然而,供应商没有投资新工厂,许多公司提高了价格。

  为了解决IC封装供应链的问题,许多大OSATs正在努力整合他们的研发和资源。这里是一些最近的几次大收购:

  2015,江苏长江电子科技(JCET),中国最大的OSAT,收购新加坡星科金朋。

  2016, Amkor增加J-Devices股权,J-Device是日本最大的OSAT,从65.7%增加到100%。然后,2017,安靠收购Nanium,这家公司在扇出封装方面是专家。

  2017年底,ASE和SPIL收到了两家公司拟议合并的所有反托拉斯机构的批准。该交易将在2018完成。

  尽管有这么多合并,仍有小到中型的几十个大大小小的OSATs。他们还有空间吗?

  “是的,但地标是不断变化和挑战性的。随着客户基础的巩固,拆分外包的蛋糕正变得越来越具有挑战性,”一家马来西亚的OSAT-Unisem北美副总裁Gil Chiu说。“还有一些最好由中大型OSATs服务的细分市场。不是每一家都有规模(或参与)超级OSATs。”

  追赶先进的包装

  除了OSAT地标,IC封装本身也有点混乱。客户可以在众多的封装中进行选择,包括2.5D/3D,BGA,扇入,扇出,引线框架,SiP和许多其他方式。

  对封装市场进行细分的一种方式是通过互连类型,包括引线键合倒装芯片技术,晶圆级封装(WLP)和直通硅晶穿孔(TSVs)。

  今天,大约75%到80%的集成电路封装使用了一种称为“引线键合”的老互连方案,根据Techsearch International。

  在20世纪50年代发展起来的一种引线键合机类似于高科技缝纫机,它用微小的线将一个芯片缝到另一个芯片或衬底上。引线键合主要用于低成本的传统封装、中档封装和存储器芯片堆叠。

  引线键合封装适合于大企业,因为它每年会产生从130亿美元到150亿美元的收入,分析师们说。但是,引线键合是一个成熟的市场,预计在2014到2019的增长速度只有2.4%。

  这就是为什么OSATs涌向增长较快的先进封装市场。在先进封装里,其主要思想是将多个芯片封装到一个封装里来实现给定的功能。在一个封装里集成多芯片属于一个称为多芯片或混合集成的通用类别。

  为此,有几个封装选项。但是,一般来说没有单一封装类型可以满足所有需求。与以前一样,客户选择一个基于多种因素的IC封装类型,这些因素是:应用、I/O管腿数、物理尺寸形状和成本。

  “我们期望针对不同的终端用户应用采用不同的先进封装技术,”KLA-Tencor的Hiebert说。“一个平台不可能在足够的维度上超过所有的半导体增长市场。”

  在高端,OSATs提供2.5D/3D技术,一种有望增加器件带宽的芯片堆叠技术。在2.5D/3D,TSVs可以贯通一个芯片或者是一个分离的芯片。总的来说,2.5D/3D TSV的市场在2016年至2022年预计将以28%的速度增长,根据Yole。


图3:使用2.5D、TSV技术的高带宽存储器  来源:三星

      “(2.5D / 3D)似乎正在起飞,”格罗方德的首席技术官Gary Patton说。“如果说我们的ASIC设计赢得了去年的14nm,其中约40%已不仅仅是一个晶片,他们包括一些水平先进的像2.5D和3D这样的封装。”


  2.5D/3D技术,虽然相对昂贵的价格限制了市场的高端应用,“2.5d将继续在HPC(高性能计算)和汽车行业的某些特殊应用里缓慢增长,”安靠的研发副总裁Ron Huemoeller说。“图形处理是一个主要的驱动市场,但多逻辑结构也需要2.5d这种封装结构来应对人工智能市场。”

  其他企业正在开发2.5D/3D的替代品。例如,英特尔推出的硅桥技术,称为嵌入式多芯片互连桥(EMIB)。在EMIB,芯片并排排列,用一小块硅连接。

  SiP是另一种选择。一般来说,SiP集成了一系列多个芯片和无源器件以创建一个独立的功能。

  每种技术都有它的位置。“很多的OSATs正在投资SiP,”TEL NEXX的Chu说。“EMIB必将冲击2018的市场。越来越多的2.5d将在今年发展,虽然它会出现在小批量的利基应用,如FPGAs。”

  扇出的狂热

  同时,WLP也许是最炙手可热的市场,包括晶圆级集成电路封装。WLP涉及两种封装类型:芯片级封装(CSP)和扇出。


图4:扇入、倒装芯片(Flip-chip)和扇出的比较 来源:Yole Développement

      CSP是一个扇入技术,其中I / Os位于封装中的锡球上。 “由于板式小扇入正变得越来越流行,”新科金朋的Sikorski说。“其根源在于智能手机市场,这仍然是主要的驱动因素。但在物联网应用和可穿戴设备应用领域,由于空间的限制,你会看到一个扇入市场的增长。”


  然而扇出是市场上最热门的话题。互连在封装中展开,可使能更多的I / O。扇出由于没有内插板,比2.5D要便宜。“(扇出)驱动因素是移动应用,” 日月光的高级工程总监John Hunt在最近的一次演讲中说。

  扇出市场预计将从2014年的2亿4400万美元增长到2021年的25亿美元,根据Yole。“我们估计2018的扇出市场是14亿美元,”Yole的Azémar说。“这是一个很高的数字,但我们可以证明这一点,因为我们认为苹果不会是唯一一个将应用处理器封装在扇出中的公司。”


图5:eWLB封装 来源:星科金朋

  2016是扇出的一年。首先,苹果在Phone 7采用了台积电的高密度扇出封装。在旧的智能手机,苹果使用了老的“封装上封装(POP)”技术。

  台积电的扇出技术被称为inFO。另一种类型的扇出技术被称为嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)。2016年,两个主要的eWLB封装供应商-星科金朋与Nanium,由于巨大的市场需求这类封装已告售罄。

  在2017,扇出走的是两个不同的方向。苹果继续使用台积电的扇出技术在其最新的iPhone手机中,从而推动台积电在扇出竞技场上杨帆起舞。但eWLB去年普遍售罄,这促使客户不得不寻找其他的解决方案,导致市场暂停eWLB。

  “在这一点上,有人开始变得紧张和停止计划用它,因为没有足够的供应保证。他们挪到其他晶圆级技术或倒装芯片,”星朋科技的Sikorski说。

  最近,eWLB市场已经开始反弹,多亏了这几个事件。首先,星科金朋以及ASE已经扩大了他们的eWLB产能,其次,安靠收购了Nanium,此举为扇出市场提供了足够的专家支持。

  “我们看到eWLB的引擎再次渗透,”Sikorski说。“设计领域在2017下半年的升温,这显露了2018应该为坚实的增长年。”

  其他人也同意这一观点。“扇出将继续作为一个封装的产品在行业中成长。由于具有雄厚的技术支持能力采用率正在加快,特别是Amkor收购Nanium和额外的资金支持,”安靠的Huemoeller说。“inFO将继续以目前的形式作为苹果处理器的集成内存预堆叠封装解决方案。除此之外,还有待观察目前的格式将会延伸多远。”

  除eWLB以外,OSATs正在开发其他类型的扇出封装,如高密度扇出、扇出POP和扇出SiP。还有一些正在开发和发布混合的或基于衬底的方案。“衬底上的扇出将是该行业的新热点,”Huemoeller说。“它将以低密度到高密度的不同形式引入。”

  如果这还不够的话,在2018, ASE,Nepes和其他技术将进入面板级扇出市场。今天的扇出封装包括在一个圆形的晶圆上封装一个芯片。相比较而言,面板级扇出包括在一个大的正方形面板上封装一个芯片。


图6:在300mm晶圆上的die与面板上的die数量比较 来源:星科金朋,Rudolph

       “每个人都关心成本, 该如何降低成本?我们的方式是从一个晶圆工艺进化到一个面板工艺,”ASE的 Hunt说。面板级扇出降低了20%的成本。


  显然,客户将有许多扇出选项。但目前还不清楚哪些技术最终将在市场上胜出。

  更多的短缺

  “并不是所有的行动都在扇出。此外,200mm和300mm器件对倒装芯片和晶圆级封装的需求在增加,”Lam的Lee说。

  去年,有一个全球性的200毫米晶圆Bumping产能短缺。在晶圆凸点中,焊料球或铜柱形成在晶片上,在芯片和基板之间提供电互连。

  200mm Bumping产能不足影响了智能手机CSPs和射频前端模块电源的供应。其他封装类型也有高需求和产能紧张的矛盾。

  短缺正在蔓延到2018,但多长时间才能结束?

  “我们预计供应链在瓶颈区域正在进行增量扩张,同时基于设备订货交货时间管理总体产能扩张,” Unisem的Chiu说。“我们预计,对每一个具体的地区而言,可以期望短缺在2018上半年将有所缓解。”

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