代工之争拓展到封装技术

台积电和三星之间的代工之争,正从先进制造工艺扩展到封装技术。

近年来,代工业务从简单的基于设计的芯片制造发展到提供代工前、后流程,如电子设计自动化、知识产权、设计和封装。

封装技术是三星和台积电将在相当长一段时间内展开激烈竞争的领域。

现在看来,三星和台积电都试图抓住眼前千载难逢的机遇。三星在2017年开始支出激增的同时,台积电将在2021年开始大规模的多年支出增长。

据IC Insights预计,三星和台积电今年的资本支出将至少达到555亿美元,占全球总支出的5%。

先进制程工艺对封装提出了更高要求,或者说,先进封装在一定程度上可以弥补制程工艺的不足。

台积电2021年3月在日本成立了子公司「TSMC日本3D IC研究开发中心」。经产省5月31日更宣布,台积电将在茨城县筑波市产业技术综合研究所的无尘室,兴建研究用生产线。2021年夏季开始整建,2022年正式投入研发。

三星韩国华城晶圆厂V1的不良率过高,仍需克服良率问题。该厂是目前三星最先进的晶圆厂,于2020年2月启动生产,是全球首座将EUV设备导入7nm制程的产线。

不过,该厂自量产以来,先进制程的良率提升速度迟缓,部分5nm芯片的良率甚至不到50%。

业界认为,三星的晶圆代工业务有先天弱点,即旗下设有负责手机AP设计的系统LSI部门,为避免技术外流,高通和英伟达等客户较倾向委托台积电代工。

7nm及更先进制程量产情况

7nm制程方面,在2020年,三星每月的产能约为2．5万片晶圆,而台积电每月约为14万片;

而在5nm方面,双方的差距更大,三星每月约为5000片晶圆,而台积电每月约为9万片。

由此看来,在先进制程产能方面,台积电明显领先于三星。

而在制程工艺方面,三星一直在追赶台积电,特别是在5nm方面,三星的低功耗版本5LPE性能比7nm的提升了10%,而在相同的时钟和复杂度下,功耗可降低20%。

另外,三星已完成第二代5nm和第一代4nm产品的设计。

台积电5nm系列在2021年的产能扩充计划比2020年会翻倍,2022年比2020年增长3．5倍以上,并在2023年达到2020年的4倍以上。

4nm方面,台积电与5nm设计法则几近兼容的4nm加强版减少了光罩层,进一步提升了效能、功耗效率、以及晶体管密度,预计于2021年第3季度开始试产。

3nm方面,台积电将于下半年试产,预计2022年实现量产;而三星于近期成功流片,但量产时间恐怕要晚于台积电。

聚焦先进封装的必要性

无论是台积电,还是三星甚至英特尔,都把先进封装当做公司的一大工作重点,这主要是在日益增长的性能需求与摩尔定律的逐渐失效的矛盾影响下所演进出来的折中结果。

但是,这些方法仍然是非常特定于客户的,并且会花费大量的开发时间和成本。

折中通过在封装中组装不同且先进的芯片是推进芯片设计的方法之一,但由于成本的原因,高级封装主要用于高端,面向利基市场的应用。

但是随着芯片开发步伐的放慢,缩小晶体管之间的空间并在芯片上放置更多晶体管的难度变得越来越大,为此新的封装方式走向台前。

台积电与三星在封装技术领域展开竞争

台积电近几年所推出「CoWoS」IC晶片封装架构,以及「整合扇出型」封装制程等,原本就是为了透过IC芯片的堆叠工艺、封装制程。

在苹果秋季发布会上,由台积电最先进5nm纳米制程所代工打造的苹果A14 Bionic处理器已先亮相,预计将搭载在苹果的新款iPhone手机与新一代iPad Air平板电脑上。

台积电推出了3D Fabric系统整合方案,其针对高效能运算应用,将于2021年提供更大的光罩尺寸,以支持整合型扇出封装(InFO),以及CoWoSR封装方案,运用范围更大的布局布线来整合小芯片及高带宽内存。

此外,芯片堆栈于晶圆之上(CoW)的版本预计今年完成7nm的验证,并于2022年在新的全自动化晶圆厂开始生产。

针对移动应用,台积电推出了InFO_B,将移动处理器整合于轻薄精巧的封装中,提供强化的效能与功耗效率,并支持移动应用器件封装时所需的动态随机存取内存堆栈。

特殊制程方面,台积电推出N12e技术,拥有更低功耗,保有高效能运算能力,将推广应用于新世代物联网领域。

日前,韩国供应链就指出,三星自上个月开始已经部署3D芯片封装技术,目的便是寻求在2022年跟台积电在芯片先进封装领域展开竞争。

三星的3D芯片先进封装技术订名为「eXtended-Cube」,简称「X-Cube」,在8 月中旬已经进行展示,在当中将采用7纳米制程技术,来为客户提供相关的产品。

三星在7nm制程的测试过程中,利用TSV 技术将SRAM 堆叠在逻辑芯片顶部,这也使得在电路板的配置上,可在更小的面积上装载更多的存储单元。

X-Cube还有诸多优点,如芯片间的信号传递距离更短,以及将数据传送、能量效率提升到最高。

庞大的市场发展规模成大厂大力推进的原因

根据Yole最新预测,从2018-2024年,整个半导体封装市场的营收将以5%的复合年增长率增长,而先进封装市场将以8．2%的复合年增长率增长,市场规模到2024年将增长至436亿美元。

在各种先进封装平台中,3D硅通孔(TSV)和扇出型(Fan-out)封装,将分别以29%和15%的速度增长。

而占据先进封装市场主要市场份额的倒装芯片(Flip-chip)封装,将以约7%的复合年增长率增长。

与此同时,扇入型晶圆级封装(Fan-in WLP)主要受到移动市场驱动,也将以7%的复合年增长率增长。

结尾

由于目前尚无其他公司能够与这一庞大的支出相匹敌,因此三星和台积电今年可能会在先进集成电路制造技术方面与竞争对手之间拉开更大的差距。

先进封装技术已成为了竞争焦点,台积电、英特尔都在不断丰富自己的先进封装技术,引领先进封装技术发展,未来封装技术与前道技术将相互融合。