代工之爭(zhēng)拓展到封裝技術(shù)
臺(tái)積電和三星之間的代工之爭(zhēng),正從先進(jìn)制造工藝擴(kuò)展到封裝技術(shù)。
近年來(lái),代工業(yè)務(wù)從簡(jiǎn)單的基于設(shè)計(jì)的芯片制造發(fā)展到提供代工前、后流程,如電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、設(shè)計(jì)和封裝。
封裝技術(shù)是三星和臺(tái)積電將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。
現(xiàn)在看來(lái),三星和臺(tái)積電都試圖抓住眼前千載難逢的機(jī)遇。三星在2017年開(kāi)始支出激增的同時(shí),臺(tái)積電將在2021年開(kāi)始大規(guī)模的多年支出增長(zhǎng)。
據(jù)IC Insights預(yù)計(jì),三星和臺(tái)積電今年的資本支出將至少達(dá)到555億美元,占全球總支出的5%。
先進(jìn)制程工藝對(duì)封裝提出了更高要求,或者說(shuō),先進(jìn)封裝在一定程度上可以彌補(bǔ)制程工藝的不足。
臺(tái)積電2021年3月在日本成立了子公司「TSMC日本3D IC研究開(kāi)發(fā)中心」。經(jīng)產(chǎn)省5月31日更宣布,臺(tái)積電將在茨城縣筑波市產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的無(wú)塵室,興建研究用生產(chǎn)線。2021年夏季開(kāi)始整建,2022年正式投入研發(fā)。
三星韓國(guó)華城晶圓廠V1的不良率過(guò)高,仍需克服良率問(wèn)題。該廠是目前三星最先進(jìn)的晶圓廠,于2020年2月啟動(dòng)生產(chǎn),是全球首座將EUV設(shè)備導(dǎo)入7nm制程的產(chǎn)線。
不過(guò),該廠自量產(chǎn)以來(lái),先進(jìn)制程的良率提升速度遲緩,部分5nm芯片的良率甚至不到50%。
業(yè)界認(rèn)為,三星的晶圓代工業(yè)務(wù)有先天弱點(diǎn),即旗下設(shè)有負(fù)責(zé)手機(jī)AP設(shè)計(jì)的系統(tǒng)LSI部門,為避免技術(shù)外流,高通和英偉達(dá)等客戶較傾向委托臺(tái)積電代工。
7nm及更先進(jìn)制程量產(chǎn)情況
7nm制程方面,在2020年,三星每月的產(chǎn)能約為2．5萬(wàn)片晶圓,而臺(tái)積電每月約為14萬(wàn)片;
而在5nm方面,雙方的差距更大,三星每月約為5000片晶圓,而臺(tái)積電每月約為9萬(wàn)片。
由此看來(lái),在先進(jìn)制程產(chǎn)能方面,臺(tái)積電明顯領(lǐng)先于三星。
而在制程工藝方面,三星一直在追趕臺(tái)積電,特別是在5nm方面,三星的低功耗版本5LPE性能比7nm的提升了10%,而在相同的時(shí)鐘和復(fù)雜度下,功耗可降低20%。
另外,三星已完成第二代5nm和第一代4nm產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
臺(tái)積電5nm系列在2021年的產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃比2020年會(huì)翻倍,2022年比2020年增長(zhǎng)3．5倍以上,并在2023年達(dá)到2020年的4倍以上。
4nm方面,臺(tái)積電與5nm設(shè)計(jì)法則幾近兼容的4nm加強(qiáng)版減少了光罩層,進(jìn)一步提升了效能、功耗效率、以及晶體管密度,預(yù)計(jì)于2021年第3季度開(kāi)始試產(chǎn)。
3nm方面,臺(tái)積電將于下半年試產(chǎn),預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn);而三星于近期成功流片,但量產(chǎn)時(shí)間恐怕要晚于臺(tái)積電。
聚焦先進(jìn)封裝的必要性
無(wú)論是臺(tái)積電,還是三星甚至英特爾,都把先進(jìn)封裝當(dāng)做公司的一大工作重點(diǎn),這主要是在日益增長(zhǎng)的性能需求與摩爾定律的逐漸失效的矛盾影響下所演進(jìn)出來(lái)的折中結(jié)果。
但是,這些方法仍然是非常特定于客戶的,并且會(huì)花費(fèi)大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
折中通過(guò)在封裝中組裝不同且先進(jìn)的芯片是推進(jìn)芯片設(shè)計(jì)的方法之一,但由于成本的原因,高級(jí)封裝主要用于高端,面向利基市場(chǎng)的應(yīng)用。
但是隨著芯片開(kāi)發(fā)步伐的放慢,縮小晶體管之間的空間并在芯片上放置更多晶體管的難度變得越來(lái)越大,為此新的封裝方式走向臺(tái)前。
臺(tái)積電與三星在封裝技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)
臺(tái)積電近幾年所推出「CoWoS」IC晶片封裝架構(gòu),以及「整合扇出型」封裝制程等,原本就是為了透過(guò)IC芯片的堆疊工藝、封裝制程。
在蘋果秋季發(fā)布會(huì)上,由臺(tái)積電最先進(jìn)5nm納米制程所代工打造的蘋果A14 Bionic處理器已先亮相,預(yù)計(jì)將搭載在蘋果的新款iPhone手機(jī)與新一代iPad Air平板電腦上。
臺(tái)積電推出了3D Fabric系統(tǒng)整合方案,其針對(duì)高效能運(yùn)算應(yīng)用,將于2021年提供更大的光罩尺寸,以支持整合型扇出封裝(InFO),以及CoWoSR封裝方案,運(yùn)用范圍更大的布局布線來(lái)整合小芯片及高帶寬內(nèi)存。
此外,芯片堆棧于晶圓之上(CoW)的版本預(yù)計(jì)今年完成7nm的驗(yàn)證,并于2022年在新的全自動(dòng)化晶圓廠開(kāi)始生產(chǎn)。
針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用,臺(tái)積電推出了InFO_B,將移動(dòng)處理器整合于輕薄精巧的封裝中,提供強(qiáng)化的效能與功耗效率,并支持移動(dòng)應(yīng)用器件封裝時(shí)所需的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存堆棧。
特殊制程方面,臺(tái)積電推出N12e技術(shù),擁有更低功耗,保有高效能運(yùn)算能力,將推廣應(yīng)用于新世代物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
日前,韓國(guó)供應(yīng)鏈就指出,三星自上個(gè)月開(kāi)始已經(jīng)部署3D芯片封裝技術(shù),目的便是尋求在2022年跟臺(tái)積電在芯片先進(jìn)封裝領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。
三星的3D芯片先進(jìn)封裝技術(shù)訂名為「eXtended-Cube」,簡(jiǎn)稱「X-Cube」,在8 月中旬已經(jīng)進(jìn)行展示,在當(dāng)中將采用7納米制程技術(shù),來(lái)為客戶提供相關(guān)的產(chǎn)品。
三星在7nm制程的測(cè)試過(guò)程中,利用TSV 技術(shù)將SRAM 堆疊在邏輯芯片頂部,這也使得在電路板的配置上,可在更小的面積上裝載更多的存儲(chǔ)單元。
X-Cube還有諸多優(yōu)點(diǎn),如芯片間的信號(hào)傳遞距離更短,以及將數(shù)據(jù)傳送、能量效率提升到最高。
龐大的市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模成大廠大力推進(jìn)的原因
根據(jù)Yole最新預(yù)測(cè),從2018-2024年,整個(gè)半導(dǎo)體封裝市場(chǎng)的營(yíng)收將以5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),而先進(jìn)封裝市場(chǎng)將以8．2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng),市場(chǎng)規(guī)模到2024年將增長(zhǎng)至436億美元。
在各種先進(jìn)封裝平臺(tái)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(zhǎng)。
而占據(jù)先進(jìn)封裝市場(chǎng)主要市場(chǎng)份額的倒裝芯片(Flip-chip)封裝,將以約7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
與此同時(shí),扇入型晶圓級(jí)封裝(Fan-in WLP)主要受到移動(dòng)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng),也將以7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
結(jié)尾
由于目前尚無(wú)其他公司能夠與這一龐大的支出相匹敵,因此三星和臺(tái)積電今年可能會(huì)在先進(jìn)集成電路制造技術(shù)方面與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間拉開(kāi)更大的差距。
先進(jìn)封裝技術(shù)已成為了競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn),臺(tái)積電、英特爾都在不斷豐富自己的先進(jìn)封裝技術(shù),引領(lǐng)先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展,未來(lái)封裝技術(shù)與前道技術(shù)將相互融合。
