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【芯观点】超越摩尔定律,先进封装挑战重重 待国内厂商破局

来源:爱集微

#先进封装#

#系统级封装#

05-31 14:02

集微网消息,5G、AIoT、高性能计算(HPC)、汽车电子等领域推动半导体市场高速增长,也为封装产业带来成长动能。尤其后摩尔时代不再单纯依赖工艺提升芯片性能,使异构集成需求激增,系统级封装(SiP)技术得到广泛采用。先进封装技术持续演进,“小芯片(Chiplet)”的发展理念又被提出,市场新的挑战也开始出现……

SiP以低成本打造出传统“ASIC”

通常为推进设计,业界会采用ASIC技术将不同的功能集成到单芯片上。但随着集成电路制造工艺持续缩放,ASIC扩展变得愈加困难,功率/性能优势逐渐缩小,设计流片成本也越来越高。先进封装开始成为代工厂和封装厂的另外一个重要创新方向。

从某种角度上说,SiP是以较低成本打造出的传统 “ ASIC”。SiP模组可以将不同工艺、材料的芯片及无源器件集成在一个系统里,实现电子产品的功能化需求。

绝大部分芯片采用的依然是成熟与商业化的封装技术,即便如此,能够提供更小尺寸和更好电气性能的先进封装技术已经得到越来越多的IC 供应商的青睐。另外,兼具较短开发时间与成本效益的小型化需求正催生SiP的大量采用。根据Yole的数据,SiP市场预计到2025年将增至18.8亿美元,预测期内(2019~2025)年均复合增长率达6%。

SiP目前主要应用于TWS耳机、智能手表、智能手机、服务器等领域,未来将出现在更多可穿戴产品如智能眼镜、5G 毫米波模块、智能汽车、生物医学等对尺寸有特别要求的应用领域。

采用SiP技术,还可以解决困扰系统性能瓶颈的"内存墙"(Memory Wall)问题,并实现更好的电磁屏蔽(EMI Shielding)功能。此外,环旭电子先进制程研发中心暨微小化模块事业处AVP赵健指出,通过异构集成, SiP还可以减少后道组装厂的工序,加上更高度自动化的工艺在前端集成,从而降低供应链整体复杂度。

而SiP 的最终目的是实现完全集成的独立自主电子系统。这意味着, SiP 将拥有独立的电源、微处理器、输入、输出和无源器件,并且能够在没有外部接线的情况下完全执行所需的功能。理想的 SiP没有外部引脚(如果有自己的电源)或只有 2 个引脚——用于电源和接地。然而,前提是,电源分配网络(PDN)、信号完整性(SI)和热管理,以及系统的可靠性都得到妥善处理。

Chiplet将推高异构集成的研发成本

另外,随着功能模块集成数量增多,芯片尺寸变大,最直接的冲击将是良率降低。解决方案之一是将芯片切割成多颗Chiplet,再用先进封装技术提供的高密度互联将这些Chiplet整合在同一个封装体内。据推测,这样可以在提高产量的同时降低生产成本。

业内人士包总认为,其实Chiplet也可以算是一种SiP技术,是SoC中IP模块的商业化。

行业观点认为,基于Chiplet的模块化设计方案将推高下一代异构集成技术的研发成本,带动封装技术进一步发展。根据不同的价格和性能要求,Chiplet可提供多种封装选择。这一趋势预计会让原本使用不同工具跟设备的前后道半导体制程,变得越来越相似。

挑战也显而易见。例如力成副总经理方立志早前指出,在降低成本方面,先进封装最大的成本风险因素是把有故障的芯片跟正常的芯片封装在一起,结果得到无法正常工作的模块。这点在晶圆对晶圆(Wafer to Wafer, W2W)封装上尤其明显,因为无法事先锁定KGD(已知合格芯片)、剔除故障芯片。

随着越来越多的单芯片被集成,对于来料芯片的质量要求将越来越严格。另外,可授权IP使组装芯片变得容易,但费用也会变更高。

封装工艺创新下挑战重重

先进封装无疑还存在许多新的挑战。除了材料跟设备机台,由于先进封装变得越来越复杂,现有的EDA设计工具在完成先进封装设计上需要解决很多问题。

芯和半导体创始人兼CEO凌峰指出,不同芯片之间,芯片与封装之间,EDA工具在设计与分析上都存在一道“墙”。如何打破芯片与封装之间的那道“墙”,如何实现EDA平台数据的一致性,完成信号、电源、热、应力等协同设计,以及如何在统一的数据库完成仿真分析,将成为SiP技术进一步发展的重要推动力。

对于国内产业来说,形势要更加严峻,挑战也更多。

研究机构Yole Developpement首席分析师Santosh Kumar曾指出,先进封装的市场规模虽然快速成长,供应链的关系也会变得比以往更复杂。产业链多环节都已经进入到系统级封装市场,包括IDM,晶圆代工厂及EMS。未来这一市场将迎来更多玩家,基板/PCB和晶圆代工厂可能会分食部分先进封装的市场大饼。因此,封装厂除多元化的技术布局外,还必须学会更灵活地应对新的产业环境。

国内目前有长电科技、通富微电、天水华天等一批走在行业前列的封测企业,其中长电科技现已具备可与日月光相抗衡的SiP,并拥有自主知识产权的Fan-outeWLB、WLCSP、SiP、Bumping、FC-BGA等多项封装技术。

业内专家认为,未来,具备完整系统封装和系统模组整合能力的封测企业将更易受到市场青睐。华创证券也指出,摩尔定律放缓背景下,封装环节对于提升芯片整体性能越来越重要。随着先进封装朝着小型化和集成化的方向发展,技术壁垒不断提高,未来封测环节或将复制晶圆代工环节的发展路径,即先进封装市场规模快速提升,技术领先的龙头厂商享受最大红利。

但集微咨询高级分析师陈跃楠表示,国内先进封装技术虽然取得了进展,仍面临不少挑战。数据显示,2020年中国先进封装市场产值在全球的市场份额仅为14.8%。与世界一流封测企业相比,国内的综合技术水平还有较大的差距。不过,在国产替代的背景下,封测作为我国半导体领域优势最为突出的子行业,将继续保持增长态势,先进封装层面的新挑战与难题,正等待国内厂商破局。(校对/乐川)

责编: 乐川

小山

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