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協同創新 推動中國集成電路封測業發展

協同創新 推動中國集成電路封測業發展

OFweek電子工程網訊 2017年7月25日,半導體行業協會集成電路分會秘書長、國家集成電路封測產業鏈技術創新戰略聯盟秘書長於燮康在《第十一屆半導體行業協會半導體分立器件年會暨2017半導體器件創新產品與應用及產業發展論壇》做了《協同創新,推動集成電路封測業發展》的主旨報告。

於燮康秘書長的報告共分三部分內容,第一部分回顧了集成電路封測業發展歷程;第二部分講述集成電路封測業的機遇和挑戰;第三部分提出了未來集成電路封測業的發展途徑--協同創新。

下面是根據於燮康秘書長演講內容整理而成。

一、集成電路封測業發展歷程

集成電路封測業在產業鏈中佔據重要地位,在設計、晶元製造和封測三大產業中,封測業規模佔比近年來一直高於國際上的普遍水平,2016年的佔比達到36.1%。

集成電路封測業起步較晚,大體經歷了以下4個階段的發展過程:

第一階段是初創階段,大致時間是二十世紀80年代,這時期以通孔插裝式封裝為主,主要代表技術是DIP(雙列直插封裝)。於秘書長介紹說,的集成電路封裝是華晶電子始於1978年。

第二階段是重點發展階段,大致時間是二十世紀90年代,進入了表面貼裝時代,主要代表技術是SOP(小外形封裝)、QFP(四方扁平封裝),主要特點是引腳從兩邊或四邊引出,安裝方式改插裝為表面貼裝,較插裝方式可大大提高引腳數和組裝密度;這時期產業規模總體較小。

第三階段是全面快速發展階段,大致時間是二十一世紀初,在2006年之前,國內封測業已開始研究以焊球代替引腳和面陣列形式分佈的表面貼裝技術,主要代表技術是球柵陣列封裝BGA和多晶元封裝MCP等,在2006年至2010年期間,QFN、BGA、CSP等多項技術實現量產,與之前相比,封裝技術有較大突破,產業規模已顯著擴大,長電科技於2009年初次躋身全球十大封測業之列。

第四階段是2011年至今的跨越式發展階段,這一時期的技術特徵是高密度和小型化,主要代表技術有晶圓級晶元尺寸封裝(WLCSP)、倒裝球焊陣列封裝(FCBGA),特別是隨著晶元特徵尺寸已接近物理極限,原依靠減小特徵尺寸來提高封裝密度的方法遇到瓶頸的情況下,以3D封裝、2.5D硅通孔為代表的封裝技術應運而生,成為近年來封測業的一個技術亮點,總體技術水平與國際水平進一步縮小差距,部分封裝技術已處於國際領先水平。

根據法國YOLE的研究數據表明,長電科技在先進封裝製程方面以7.8%的份額排名全球第三,僅次於英特爾和矽品精密。

據封測聯盟提供的2010年-2016年集成電路封測業的銷售規模數據可以看出,集成電路封測產業得到快速發展,自2011年起的6年,銷售收入比2010年增長了1.5倍,CAGR為16.39%。

於燮康秘書長表示,對國內外先進封裝工藝技術水平比較而言,目前國內集成電路三大先進封裝技術:SIP系統級封裝(長電、華天)、WLP晶園級封裝(長電、晶方)、FC倒裝(長電、通富)封裝技術均己具備並取得突破, 技術能力與國際先進水平基本接近,先進封裝佔比約20%, 但國內封裝業總體仍以傳統的中低端封裝為主,其封裝形式如SOP(SSOP、TSOP)、QFP(LQFP、TQFP)、QFN/DFN等。預計未來對高端先進封裝技術的需求將愈來愈多。

從封測聯盟公布的《集成電路封測產業技術發展路線圖》可以看出,在封裝類型方面已經非常齊全。

從產業規模來看,多年來國內封測產業發展速度高於國際封測業整體發展的速度,但總體的封裝技術水平與國際水平還存在不小的差距。

晶圓級封裝(WLP)技術方面,國內主要採用 Fan-in技術,主要量產WLCSP產品;剛開始Fan-out的小規模量產,海外技術發展多樣化,Fan-in、Fan-out、embedded WLP以及晶圓級3D堆疊封裝技術已經成熟。

倒裝(FC)技術方面,國內企業全部是採用傳統的mass reflow技術。海外企業已經量產TCB鍵合的FC封裝技術。國內本土企業組裝晶元尺寸,還沒有超過20x20mm的晶元。國外企業在貼裝精度和穩定性方面有優勢,例如環球儀器對於倒裝晶元裝配的設備解決方案,兼顧了高速和高精度的特點。

PoP封裝技術。目前國內還沒有實現先進PoP封裝的量產;部分外企在量產Bare Die的PoP封裝,海外已經在採用先進的Substrate Interposer技術。

TSV(2.5D/3D)技術。國內TSV的應用主要是CMOS Image Sensor的封裝,屬於比較低端初級的TSV技術;高端TSV的應用,國內企業正處於研發階段,國際上,台積電、三星、日月光等國際大公司已具備10微米孔徑達到10:1的深寬比的能力。

二、集成電路封測業的機遇和挑戰

集成電路封測業經過多年的發展,已迎來良好的發展機遇。

首先在產業基礎方面,21世紀初,基於勞動力成本及國內產業政策等綜合因素作用下,國際封測代工廠先後在上海、深圳、無錫、蘇州、成都等地投資設立了封裝測試基地,近年來國內企業和國際大廠兼并重組,提升了封測業的競爭力和技術水平。

其次在政策機遇方面,《國家集成電路產業發展推進綱要》的發布引來了良好的政策支持,中央和地方的集成電路產業基金陸續成立,國內集成電路產業迎來一個新的發展高潮。在《推進綱要》中明確提出「提升先進封裝測試業發展水平,在產業整體快速發展的大背景下,國內設計業和製造業的快速發展及封裝本土化趨勢為國內封測企業提供了更多的發展空間」。

最後是技術發展趨勢,摩爾定律發展至今已遇到瓶頸,晶元特徵尺寸已接近物理極限,先進封裝技術成為延續摩爾定律的必然選擇,「封測中道」的崛起和先進封裝的快速發展,封測業一改以往在集成電路三業中的從屬地位,重要性顯現。

后摩爾時代的再認識

目前,典型的SiP技術可以包含在封裝技術領域已經得到開發並持續發展的多種先進封裝技術,如WLP、Flip Chip、3D封裝、TSV技術、IPD、Embedded PCB/Substrate等。從后摩爾時代的發展方向來看,封測技術的發展趨勢必將為產業發展帶來前所未有的發展機遇。

一是延續摩爾定律: 繼續以等比例縮小CMOS器件的工藝特徵尺寸,提高集成度,以及通過新材料的運用和器件結構的創新來改善電路的性能。這一定律的發展方向是IC設計與製造,主要是SoC技術。

二是拓展摩爾定律:在市場和應用需求的驅動下,為滿足功能的多樣化,以系統級封裝(SiP),尤其是扇出型封裝、Panel板級封裝等為代表的功能多樣化道路列為半導體技術發展的新方向,該技術著眼於增加系統集成的多種功能。

由於先進封裝製程帶來的中道工藝,封測業和晶園製造業有了緊密的聯繫,在引來良好發展機遇的同時,也面臨著新的挑戰。

封裝中道的崛起,必然擠壓晶圓製造業的份額,有跡象表明,部分晶圓廠已加大封裝中道製程的布局,由於晶圓廠有著技術和資本的領先優勢,將對封測廠形成較大的競爭壓力。

傳統封測廠較晶圓製造業相比屬於輕資產,引入中道工藝后,設備資產比重較傳統封裝大大增加,封測業的先進技術研發和擴產將面臨較大的資金壓力,國內封測大廠僅靠自身財力也難以有穩定持續的投入。(後續引入大基金或行業間的協同,長電+中芯)

后摩爾時代的集成電路產業更強調產業鏈的緊密合作,封測業將扮演重要的角色,如何有效的集中產業鏈的優勢資源去發展封測技術也是這一時期的一大挑戰。

集成電路產業的發展離不開專業人才,封測業在近期可通過兼并重組和引進來解決人才問題,如何培養業界需要的高端人才滿足封測技術不斷發展的需求,是未來面臨的一大挑戰。

在人才、技術、管理方面與國外的差距如何解決,當然近期可通過兼并重組和引進來解決人才技術問題,但併購后的整合工作難度很大。因此培養業界需要的高端人才滿足封測技術不斷發展的需求,是未來面臨的一大挑戰。

於燮康秘書長特彆強調,封裝產業生產人員、管理人員目前不缺,一線工程師應該也基本可以滿足,但是高端研發人員、系統設計人才非常短缺。

封測產業技術面臨的挑戰

先進封裝技術發展的驅動力主要在於:一是降低整個系統成本的成本驅動;二是通過先進封裝技術逐歩實現產品差異化;三是提高器件擺放密度(改善信號性能)的功能驅動;四是更高密度互連的基板工藝技術;五是是高性能、高密度與小型化的驅動。

為滿足這些要求,封測產業技術發展面臨的挑戰,主要有四個共性問題和四類關鍵技術;核心是同時滿足高性價比、短小輕薄。

四個共性問題:系統級封裝設計與工具、高密度功能化基板與材料、系統級封裝的可靠性、系統級封裝的測試方法。

四大關鍵技術:高密度封裝關鍵工藝、三維封裝的關鍵技術、多功能晶元疊層集成關鍵技術、系統級封裝關鍵技術。

三、未來集成電路封測業的發展途徑——協同創新

於燮康秘書長認為封裝技術需求越來越高,封裝和設計、製造、裝備、材料、系統廠商、科研院所、大學的合作越來越緊密,經過市場化檢驗,自發形成了五大協同創新模式。

1、華進模式。其特點:共性技術研發

作為產業共性技術研發平台,華進半導體的組建標誌著國家級封裝技術創新中心的建立,對國家未來在集成電路封裝技術創新中作用和意義重大,也是后摩爾時代企業創新協同模式的一次有益探索。

從集成電路整個產業的發展歷程,可以看到,有企業自主擴大規模、業內的兼并重組,市場需求催生新技術的突破帶動產業發展方式,如智能手機、物聯網等,政策導向促進產業發展,包括國際上的產業發展模式也有成功的典型案例,如台積電的垂直分工模式(Foundry),無生產線的IC設計公司模式(Fabless) 三星的IDM+整機製造模式等。國內封測業也經歷了從作為IDM模式中的一環,到專業委外封測代工(OSAT)模式。

華進半導體作為產業共性技術研發平台,是由國內幾家有競爭關係的領軍封測企業與中科院微電子所等聯合組建,也標誌著國家級封裝技術創新中心的建立,其對國家未來在集成電路封裝技術創新中作用和意義重大,也是后摩爾時代企業創新協同模式的一次有益探索。近幾年,華進半導體研發中心,在IC先進封裝研發創新方面,已經有了一定的成效,特別是在3D(TSV)系統級封裝(SiP)方面已經取得可喜的進展。如:基於TSV的2.5D/3D多晶元高密度互連集成;以晶圓級封裝為主體的Bumping、WLCSP、Fan out技術;以及FC、多晶元模塊(Multi-Chip Module/MCM) 2D/3D SiP封裝系統集成技術等,多項技術在國內處於領先地位。實踐表明,華進模式很好的解決了企業間的競爭與合作的矛盾,充分利用了企業間的優勢資源,也解決了研發過程中知識產權的歸屬等問題,研發平台對提升行業的整體技術水平起到了很好的促進作用。

2、中芯長電模式。其特點是晶圓+封裝協同模式

隨著「中道」的誕生,封測企業與晶元製造企業的合作,就成為一種新的協同模式。目前台積電已經建立了自有的中道封裝線。

2014年2月,長電科技與中芯國際正式簽署合同,成立具有12英寸凸塊加工及配套測試能力的合資公司。建立凸塊加工及就近配套的具有倒裝(Flip-Chip)等先進封裝工藝的生產線,再結合中芯國際的前段28納米先進工藝,形成了12英寸半導體製造產業鏈,中芯長電半導體採用純代工模式,專註於半導體中段先進工藝開發和製造,重點發展先進的12英寸凸塊加工(Bumping)及配套晶圓晶元測試。

目前,華天科技與武漢新芯、通富微電與華力微電子先後簽訂戰略合作協議,至此,國內封測三大領軍企業先後與晶圓代工廠開展協同創新。

3、協同設計模式。其特點:應用設計與封裝協同

這是基於產品研發的一種設計+封裝的創新模式,以往晶元、封裝和電路板的設計主要是按順序實現的。電路板設計人員所面臨的信號完整性問題一般是通過未優化的設計解決的,後來這類問題開始採用系統方法。由於存在固有的時間限制和較短的設計周期,因此在晶元、封裝和電路板之間建立系統協同極具挑戰性。現今由於晶元功能、電源管理等變得愈來愈複雜,封裝的結構也愈發複雜。傳統設計的「IC-封裝-PCB」順序已經不適用於今天的產品。IC-封裝-基板之間的綜合協同設計已成為必然。

4、聯合體模式。其特點:產業鏈協同

這是基於封測產業鏈協同創新模式,可適用於封測新技術、新設備、新材料的研發,華進半導體的「技術聯合體」成員主要由由國內外知名半導體公司、終端用戶、封測企業、材料、設備供應商等完整的集成電路產業鏈組成,利用各產業鏈龍頭企業的資源和技術優勢,共同研發先進封裝技術,研發過程中研製樣品在成員單位之間流轉,成員單位分別承擔了設計、製造、封測、驗證等任務,「聯合體」內共享技術成果和知識產權,研發技術一旦轉為成套技術,「聯合體」成員將自動成為先進封裝產業鏈的一環。通過這一模式,可有效協同產業鏈的優勢技術、人才和資源,解決關鍵技術、大型設備、核心材料在研發初期缺乏資金、人才、技術和設備的困境,實踐表明,多項技術和裝備聯合體模式取得豐碩成果,包括成功組織國際著名封裝專家來華交流;完成多台套國產設備評估;組織設備供應商和用戶交流會,反饋國產設備使用意見,推動改進方案的執行,華進半導體也成為國產高端封測設備和材料的驗證平台。該創新模式為探索集成電路封裝產業鏈的發展作出了積極的貢獻。最早的聯合體代表是「TVS聯合體」。

5、產學研用協同模式。其特點:公共服務和基礎研究

主要通過產業鏈+高校+研究所的協同,建立公共服務平台和人才培訓基地。產學研用協同創新平台的建立,充分利用重點骨幹企業依託企業技術中心、院士工作站、工程研究中心等創新平台和資源優勢,聯合高校院所組建公共服務平台,搭建為企業服務的創新平台,整合了產業技術創新資源,開展協同創新,突破制約產業發展的關鍵重大技術,同時針對產業發展需求培養專業人才。

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