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【制造/封测】台积电举起大旗,先进封装这场仗谁是赢家?

来源:全球半导体观察    原作者:青隐    

“封测厂已经跟不上晶圆代工的脚步了,摩尔定律都开始告急了,我们与其在里面干着急,不如做到外面去”,2011年,台积电的余振华面对媒体如是说。

余振华是1994年就加入台积电的元老级人物,是蒋尚义曾经的下属,也是台积电后摩尔定律时代的功臣。

01 台积电要做先进封装

2011年,重出江湖的张忠谋在第三季度法说会上宣布,台积电将会做先进封装,为此张忠谋请回了已经退休的蒋尚义重新掌舵研发,而具体任务落在了余振华的肩上。

晶圆代工老大要做封装的消息不胫而走,整个半导体产业都陷入了喧嚣的讨论中,其中日月光被推到了风口浪尖上,因为它不仅是全球第一大封测厂,还是台积电的供应商。

在台积电的法说会刚结束的第三天,恰好是日月光的法说会,日月光财务长董宏思一再被逼问如何看待台积电进军封装领域,董宏思先是无奈的确认了事情属实,然后再话语一转,表示这种技术只会被用在极少数的特定高端产品中,影响有限。

这话触怒了负责先进封装研发的余振华,后者立刻反击道:“以后所有高阶产品都会用,市场很大”,这话如今看来似乎是共识,但在当时却引起轩然大波,因为它第一次将台积电与封测厂旗帜鲜明的对立了起来。

后来余振华又在SEMICON台湾地区的演讲中,大谈台积电的先进封装,一位封测界的从业人员对余振华的演讲内容解读为:“他的意思是:你们都完了,只剩下我。台积电要征服全世界。”

矽品的研发副总裁马光华甚至在演讲当场发问余振华:“你这样说,是不是我们全部没有工作了?”现场气氛瞬间冻结到了冰点。

不论外界如何非议,台积电要做先进封装的决心是不变的。事实上在法说会之前的几个月,台积电就已经在最新版本设计指引中,将3D IC封装和硅中介层给客户选用。只待未来技术成熟,实现全面替换。为了发展CoWoS技术,张忠谋特意拨给了余振华400名研发工程师。

有时候愿望是美好的,现实是很残酷的,先进封装是座大山,攻克技术只是撼动它的第一步,有客户愿意用才算成功。

02 拿下先进封装的天王山

在余振华两年多的努力之下,台积电终于开发出了CoWoS技术,但落实到产品上,只有一家企业愿意下单,这个企业就是Xilinx,其余的客户都觉得太贵。Xilinx的高端FPGA芯片单价高,追求性能,所以愿意采用这项技术,而其它客户需要的是性价比产品,尤其是潜在客户苹果。

当时台积电一心想拿下苹果的订单,在争夺A6订单的时候,三星在3D IC封装技术上技高一筹,最终A6订单花落三星,这或许是促成台积电拿下先进封装的诱因之一。

眼看台积电大功告成,但CoWoS封装的价格高出客户预期的5倍,这不得不让张忠谋感到惆怅。突然一天,蒋尚义冲进了张忠谋的办公室,告诉张忠谋余振华挖到了一个大金矿。

年近七旬的蒋尚义之所以如此激动,是因为余振华思考出了一种精简的设计,能够将CoWoS结构尽量简化,并且价格压低到原来的五分之一,这种技术就是后来的InFO技术。

自此,台积电的先进封装分成了两部分,更为经济的InFO封装技术,成为手机客户采用的首选,这项封装技术也成为台积电吃下苹果订单的关键之一。而专注于高阶客户市场的CoWoS封装技术也因为人工智能的发展,迎来属于自己的黎明。

2017年,打败世界棋王的高科技产品AlphaGo,其采用的人工智能芯片TPU 2.0,就是台积电的CoWoS封装技术;后来,英特尔与Facebook要挑战英伟达在深度学习上的垄断地位,合作推出的Nervana类神经网络处理器,同样采用的是CoWoS封装。

不知不觉中,CoWoS封装似乎已成为人工智能的标配。

03 后摩尔定律时代

时间来到了2020年,台积电的5nm已实现量产,十年前余振华谈到的摩尔定律的极限正在成为现实。根据美国乔治城大学安全与新兴技术中心(CSET)的调查,在过去3代芯片中,台积电的晶粒平均价格都大幅下滑,但是到了5nm,单颗芯片的制造价格不降反升,比前一代多出了5美元,摩尔定律失效就在眼前。

而先进封装成为了提升芯片算力,降低芯片平均价格的一大利器。台积电董事长刘德音去年(2020年)公开表示,微缩加3D IC技术,未来能让每单位运算密度每2年成长2倍。

经过将近十年的发展,台积电已是高阶高密度扇出型晶圆级封装的主要领导者之一。为维持市场的龙头地位,2020年台积电宣布资本支出上看170亿美元,其中有10%将用于先进封装。1月14日,台积电公布2021年的资本支出达到250亿~280亿美元,其中约10%将被用于先进封装技术量产需求。

巨额资金投入之下,是一座座封测厂的拨地而起。根据媒体的报道,台积电去年就开始在中国台湾省苗栗县,建立一个新的高端IC封装和测试工厂,预计今年5月完工。此外,近期又有消息传出,台积电计划在日本建立先进的封测厂,预计在2025年落成。

04 封测厂风起云涌

台积电做封装,有着得天独厚的条件。如果台积电做先进封装失败了,只要再生产一片晶圆给客户即可,试错机会大,容错率高,而封测厂则不同,封测厂做坏一片晶圆,要按照市价去赔偿,动则一片就要上万美元。

但无论如何,传统的封装已经走到了拐点,先进封装代表未来。为了狙击台积电,也为了能够在3D IC封装占据一席之地,2012年开始,封测双雄日月光与矽品纷纷布局先进封测。

矽品在中科申请了5公顷的用地,计划作为首座3D IC封装和铜柱凸块等先进封装的制造用地。日月光启动回台投资计划,其投资7亿美元,针对位于高雄楠梓加工区的第二期新厂进行扩建,重心锁定高端手机芯片所需要的覆晶封装、植晶凸块、3D IC的先进封测产能。

在技术上,日月光更看好芯片异质整合趋势所带来的SiP(系统级风装)商机,并通过不断加码取得了丰硕的成果,2019年日月光的总营收25亿美元,其中SiP贡献了2.3亿美元,SiP所带来的营收超出预期1.3亿美元。

而矽品,则比较曲折。

2015年,日月光公开宣布,溢价34%收购矽品25%的股权,收购金额高达350亿新台币,这意味着两大封测巨头进入整合期,随后日月光辗转用了一年多时间与矽品就全资收购达成共识。后来,进入2020年,这项收购还在审核通过中,矽品将大陆的分公司卖给了某神秘大厂。

05 中芯国际与长电结盟

台积电的封装之路始于2008年底,当时台积电成立了导线与封装技术整合部门,据说张忠谋最初选定的是梁孟松来研究先进封装,以求超越摩尔定律的极限。但与先进制程相比,封装是个冷板凳,短期内也不会赚钱,所以梁孟松拂袖而去,这才有了蒋尚义和余振华的组合。

与梁孟松不同的是,蒋尚义认为,当集成电路做到极致的时候,就应该反过来研究整个系统,随着未来先进制程进步越来越缓慢,封装和电路板会成为制约整个系统的瓶颈,所以先进封装势在必行。有了先进封装就可以让整个系统的架构发生彻底的改变,工程师不再追求把芯片越做越小,而是把大的芯片分成小的芯片再重新组合。

2017年,梁孟松入职中芯国际,在随后的两年多时间里,为中芯国际带来了先进制程,不过进入2020年,国际形势波谲云诡,先进制程还能否继续往前,成为一个问题。

此时,蒋尚义重回中芯国际,可以给予中芯国际除了先进制程之外,从先进封装技术和小芯片领域的技术支持,也有助于帮助中芯国际走出困境。

事实上,中芯国际也看到了先进封装的前景。2016年,中芯国际通过旗下的全资子公司芯电上海,以人民币26.55亿元的价格入股长电科技,再加上之前收购星科金朋时的1亿美元股权转为长电科技的股权,中芯国际成为长电科技单一最大股东。后来,随着2018年大基金的入股,中芯国际才让贤。

中芯国际与长电科技的战略合作,从产业链角度来看,可以让国产芯尽量规避供应链风险,加速国产替代,在技术方面中芯国际和长电科技作为Foundry和OSAT的行业龙头,可以更好的合作,让先进制造与先进封测更加密切的相互合作,从而突破国产芯的技术极限。

结语

匆匆忙忙,时间跨入了21世纪的第三个十年。在上一个十年里,台积电引领全球半导体奔向摩尔定律的极限,但也意识到了摩尔定律的局限,所以十年磨一剑,从先进封装下手,欲再次挑战算力的极限。

而封测厂也不甘示弱,在技术上不断推陈出新,市场上不断攻城略地,大陆企业同样丝毫不敢懈怠下来,一场关于先进封装的竞技赛已经拉开帷幕,在这个赛场之上,谁将执半导体产业下一个十年的牛耳,还需拭目以待。

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封面图片来源:拍信网