2017封测年会笔记:物联网时代的先进封装

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2017年中国半导体封装测试技术与市场年会已经过去一个月了,但半导体这个需要厚积薄发的行业不需要蹭热点,一个月之后,年会上专家们的精彩发言依然余音绕梁。除了“封装测试”这个关键词,嘉宾们提的最多的一个关键词是“物联网”。因此,将年会上的嘉宾观点稍作整理,让我们再一起思考一下物联网时代的先进封装。

智能手机增速放缓

半导体下游市场的驱动力经历了几个阶段,首先是出货量为亿台量级的个人电脑,后来变成十亿台量级的手机终端和通讯产品,而从2010年开始,以智能手机为代表的智能移动终端掀起了移动互联网的高潮,成为最新的杀手级应用。回顾之前的二三十年,下游电子行业杀手级应用极大的拉动了半导体产业发展,不断激励半导体厂商扩充产能,提升性能,而随着半导体产量提升,半导体价格也很快下降,更便宜更高性能的半导体器件又反过来推动了电子产业加速发展,半导体行业和电子行业相互激励,形成了良好的正反馈。但在目前, 智能手机的渗透率已经很高,市场增长率开始减缓,下一个杀手级应用将会是什么?

物联网可能成为下一个杀手级应用

根据IHS的预测,物联网节点连接数在2025年将会达到700亿。

从数量上来看,物联网将十亿量级的手机终端产品远远抛在后面,很可能会成为下一波的杀手级应用。但物联网的问题是产品多样化,应用非常分散。我们面对的市场正从单一同质化大规模市场向小规模异质化市场发生变化。对于半导体这种依靠量的行业来说,芯片设计和流片前期投入巨大,没有量就不能产生规模效应,摊销到每块芯片的成本非常高。

除了应对小规模异质化的挑战, 物联网需要具备的关键要素还包括 :多样的传感器(各类传感器和Sensor Hub),分布式计算能力(云端计算和边缘计算),灵活的连接能力(5G,WIFI,NB-IOT,Lora, Bluetooth, NFC,M2M…),存储能力(存储器和数据中心)和网络安全。这些关键要素会刺激CPU/AP/GPU,SSD/Memory,生物识别芯片,无线通讯器件,传感器,存储器件和功率器件的发展。

物联网多样化的下游产品对封装提出更多要求

物联网产品的多样性意味着芯片制造将从单纯追求制程工艺的先进性,向既追求制程先进性,也最求产品线的宽度发展。物联网时代的芯片可能的趋势是:小封装,高性能,低功耗,低成本,异质整合(Stacking,Double Side, EMI Shielding, Antenna…)。

汽车电子的封装需求: 汽车电子目前的热点在于ADAS系统和无人驾驶AI深度学习。全球汽车2016年产销量约为8000万台,其中中国市场产销量2800万台,为汽车电子提供了足够大的舞台。ADAS汽车系统发展前景广阔,出于安全考虑,美国NHTSA要求从2018年5月起生产的汽车需要强制安装倒车影像显示系统。此外,车道偏离警示系统(LDW),前方碰撞预警系统(FCW),自动紧急刹车系统(AEBS),车距控制系统(ACC),夜视系统(NV)市场也在快速成长。中国一二线城市交规越来越严格也使得人们对ADAS等汽车电子系统的需求提升。ADAS,无人驾驶,人工智能,深度学习对数据处理实时性要求高,所以要求芯片能实现超高的计算性能,另外对芯片和模块小型化设计和散热也有要求,未来的汽车电子芯片可能需要用2.5D技术进行异构性的集成,比如将CPU,GPU,FPGA,DRAM集成封装在一起。

个人移动终端的封装需求: 个人消费电子市场也将继续稳定增长,个人消费电子设备主要的诉求是小型化,省电,高集成度,低成本和模块化。比如个人移动终端要求能实现多种功能的模块化,将应用处理器模块,基带模块,射频模块,指纹识别模块,通讯模块,电源管理模块等集成在一起。这些产品对芯片封装形式的要求同样是小型化,省电,高集成度,模块化,芯片封装形式主要是“Stack Die on Passive”,“Antenna in SiP”,“Double Side SiP等。比如苹果的3D SiP集成封装技术,从过去的ePOP &BD PoP,发展到目前的是HBW-PoP和FO-PoP,下一代的移动终端封装形式可能是FO-PoP加上FO-MCM,这种封装形式能够提供更加超薄的设计。

5G 网络芯片的封装需求: 5G网络和基于物联网的NB-IOT网络建设意味着网络芯片市场将会有不错的表现。与网络密切祥光的大数据,云计算和数据中心,对存储器芯片和FPGA GPU/CPU的需求量非常大。通信网络芯片的特点是大规模,高性能和低功耗,此外,知识产权(IP)核复杂、良率等都是厂商面临的重要问题。这些需求和问题也促使网络芯片封装从Bumping &FC发展到2.5D,FO-MCM和3D。而TSV技术的成功商用,使芯片的堆叠封装技术取得了实质性进展,海力士和三星已成功研发出3D堆叠封装的高带宽内存(HBM),Micron和Intel等也正在联合推动堆叠封装混合存储立方体(HMC)的研发。在芯片设计领域,BROADCOM、GLOBAL FOUNDRIES等公司也成功引入了TSV技术,目前已能为通信网络芯片提供2.5D堆叠后端设计服务。

上游晶圆代工厂供应端对封装的影响

一方面,下游市场需求非常旺盛,另外一方面,大基金带领下的资本对晶圆代工制造业持续大力投资,使得上游的制造一直在扩充产能.据SEMI估计,全球将于2017年到2020年间投产62座半导体晶圆厂,其中26座在中国大陆,占全球总数的42%。目前晶圆厂依然以40

nm以上的成熟制程为主,占整体晶圆代工产值的60%。未来,汽车电子,消费电子和网络通信行业对芯片集成度、功能和性能的要求越来越高,主流的晶圆厂中芯和联电都在发展28nm制程,其中台积电28nm制程量产已经进入第五年,甚至已经跨入10Xnm制程。

随着晶圆技术节点不断逼近原子级别,摩尔定律可能将会失效。如何延续摩尔定律?可能不能仅仅从晶圆制造来考虑,还应该从芯片制造全流程的整个产业链出发考虑问题,需要 对芯片设计,晶片制造到封装测试都进行系统级的优化。 因此, 晶圆制造,芯片封测和系统集成三者之间的界限将会越来越模糊。 首先是芯片封测和系统集成之间出现越来越多的子系统,各种各样的系统级封装SiP需要将不同工艺和功能的芯片,利用3D等方式全部封装在一起,既缩小体积,又提高系统整合能力。Panel板级封装也将大规模降低封装成本,提高劳动生产效率。其次,芯片制造和芯片封测之间出现了扇入和扇出型晶圆级封装,FO-WLP封装具有超薄,高I/O脚数的特性,是继打线,倒装之后的第三代封装技术之一,最终芯片产品具有体积小,成本低,散热佳,电性能优良,可靠性高等优势。

先进封装的发展现状

先进封装形式在国内应用的越来越多,传统的TO和DIP封装类型市场份额已经低于20%,

最近几年,业界的先进封装技术包括以晶圆级封装(WLCSP)和载板级封装(PLP)为代表的2.1D,3D封装,Fan Out WLP,WLCSP,SIP以及TSV,

2013年以前,2.5D TSV封装技术主要应用于逻辑模块间集成,FPGA芯片等产品的封装,集成度较低。2014年,业界的3D TSV封装技术己有部分应用于内存芯片和高性能芯片封装中,比如大容量内存芯片堆叠。2015年,2.5D TSV技术开始应用于一些高端GPU/CPU,网络芯片,以及处理器(AP)+内存的集成芯片中。3D封装在集成度、性能、功耗,更小尺寸,设计自由度,开发时间等方面更具优势,同时设计自由度更高,开发时间更短,是各封装技术中最具发展前景的一种。在高端手机芯片,大规I/O芯片和高性能芯片中应用广泛,比如一个MCU加上一个SiP,将原来的尺寸缩小了80%。

目前国内领先封装测试企业的先进封装能力已经初步形成

长电科技王新潮董事长在2017半导体封装测试年会上,对于中国封测厂商目前的先进封装技术水平还提到三点:

SiP 系统级封装: 目前集成度和精度等级最高的SiP模组在长电科技已经实现大规模量产;华天科技的TSV+SiP指纹识别封装产品已经成功应用于华为系列手机。

WLP 晶圆级封装 :长电科技的Fan Out扇出型晶圆级封装累计发货超过15亿颗,其全资子公司长电先进已经成为全球最大的集成电路Fan-In WLCSP封装基地之一;晶方科技已经成为全球最大的影像传感器WLP晶圆级封装基地之一。

FC 倒装封装: 通过跨国并购,国内领先企业获得了国际先进的FC倒装封装技术,比如长电科技的用于智能手机处理器的FC-POP封装技术;通富微电的高脚数FC-BGA封装技术;国内三大封测厂也都基本掌握了16/14nm的FC倒装封装技术。

人因为会制造和使用工具而从一般动物中分离出来,而成为唯一的智能群体。在人类文明发展史上,经历了一个由石器时代到金属时代的过渡。金属时代(包括青铜时代和铁器时代)的到来为人类文明带来了新的曙光,人们发现了七种至今仍然广泛应用着的七种金属,它们是金银铜铁锡铅汞。下面讲讲这七种金属的发现过程及对人类发展的影响。

黄金时代

大约在5000多年前,即公元前3000年,四大文明古国的埃及已经建立起来,首都开罗已经是一个繁华的城镇了。每逢赶集的时候,这里的人群熙熙攘攘。一天中午,安静而有序的城镇却出现了骚乱,人们争相涌向一个地方,透过围得密密的人群,人们发现开罗有名的旅行家里希尔正拿着一块黄灿灿的东西,里希尔说这是神赐予人类的宝物,他把它称作黄金。很快,开罗城拥有黄金的人都变得富有起来。人们纷纷去寻找金子,河滩上的沙地里站满了寻找金子的人群,开始只有很少几个幸运儿找到成块的金子,后来人们注意到沙子中混着一些金沙,人们就发现了“披沙淘金”的方法。后来人们又发现了平地掘井开采山金的方法,使得金子的产量更大了。

就在里希尔发现金块后不久,他又发现了银子。一个寒冷的夜晚,里希尔和同伴围着一堆篝火聊天。第二天,就在他们快要启程的时候,里希尔扒拉一下火堆,他是一个细心的旅行家,每次出发前他总是要检查自己住的地方以免有东西丢失,这次检查他不但没有发现丢失的东西,火堆里的扒拉出来一些亮闪闪的东西却引起了他的注意,一个伟大的发现意外地产生了。里希尔发现这种新的金属与金子的特性十分类似,也是沉重而柔软,用手捏捏就能使它变形,他把这种金属命名为白银。后来人们沿用了里希尔意外发现的这个方法,即用篝火灼烧银矿石而得到银,这实际上是一个简单的化学还原反应,木炭把银矿石中的硫化银还原成银。

青铜时代

1939年正值我国抗日战争最艰苦的一年,这时考古界的一件重要发现在战火中诞生了,在安阳市武官村出土了一个殷代的庞然大物:司母戊大方鼎。这个大家伙重达875公斤,需要十二个强壮的成年男子才能抬得起来,可见当时铸造之不易。司母戊鼎是目前世界上出土的最大的青铜器。经检测,铜占84.11%,锡占 11.64%,铅占2.79%。这个青铜器是我国青铜冶铸鼎盛时期的产物,从它的纹饰、构造等都反映了这个时代青铜冶铸的高超技术。

人类对铜的使用并非是从青铜而是从纯铜开始的。考古学家在伊朗西部的一些地区发现了大约公元前7000年前使用的小型铜器件,如小针、小珠和小锥等等。大英博物馆里收藏有5000年前苏美尔人铸造的铜牛头和3500年前埃及人制作的铜镜和铜制工具。在西亚地区,铜矿石裸于地表,人们在铜矿石上燃烧炭火,便会还原出与绿色矿石颜色不同的红色铜来。

由于纯铜硬度低,并不太适合于制作生产工具,后来,人们就有意识地在炼制铜矿石时掺入其他矿石,以制成铜的合金来提高工具的硬度。在我国,先秦的古籍《考工记》中记载了有名的“六齐”规则,即是青铜的六种配方,这套配方规定了铜和锡的不同比例造成的青铜的不同用途,其实质是比例不同硬度不同。据考古推测,这时人们已经能够制得纯铅和纯锡了。从商代的墓葬中先后发现了铅爵、铅戈和铅斛等纯铅制品。

铅属于重金属,因而铅及其化合物都有毒,古人开始因不了解这一点而大吃苦头。古罗马人曾经就喜欢用铅制的水管,考古发现古罗马人的尸骨上常常有黑色的硫化铅斑点,这就是由于使用了铅管里的水而导致的慢性中毒。后来人们渐渐认识到这一点,就不再使用铅制的器具作为饮食用具了。

锡由于其延展性好而易制成薄片,而且在常温下不易氧化,所以自古以来就被用来包裹器具。我国曾出土国几具殷代的虎面铜盔,其中一具很完整,内部红铜相当完好,外面镀了一层很厚的锡,锡层精美,至今仍光亮如新。这说明当时的人们不但认识到锡层美观,而且可以防腐。纯的锡器没有保存下来的,这是因为锡很怕冷,周围温度一旦低于13℃就会发生相变,变成粉末状的灰锡,这种现象被称为“锡疫”。

铁器时代

人类对铁的最早知识来源于从太空降下来的陨铁,埃及人称它为“天铁”,在西亚的一些游牧部落里还有一种有趣的传说,他们说铁既然是从天上降下来的,那么天空一定是个大铁盘。人们发现铁的硬度要比铜或青铜都大得多,尽管四处传说铁只有天上才有,但还是有一些不遵从祖训的年轻人企图在人间发现铁。大约在公元前 2200 年,西亚的赫梯人已经会冶炼和使用铁器了。公元前1290年,埃及国王致信赫梯国王要求提供一些铁,赫梯国王回信答应给他提供一把钢剑,但要求用黄金来交换,可见当时铁还是一种贵重的金属。赫梯国王还在信中炫耀说:“在我们的国土上,铁和尘土一样平凡。”

早期的冶铁技术也大多是采用固体还原法,冶炼时,将铁矿石和木炭一层一层地堆放在炼铁炉中,点火燃烧,产生一氧化碳,从而使铁矿石中的氧化铁还原为单质铁。早期的铁由于冶炼温度很低而性能很差,是含大量碳氧杂质的合金,古人称之为“恶金”。我国在解放初期大炼钢铁的时候,由于地方上不少“土高炉”温度上不去,而生产了不少没有价值的 “恶金”。后来人们逐渐发现了升高炉温的方法而炼出了性能较好的生铁,继而发明了用退火的方法“柔化”生铁而得到低碳钢。后来人们进一步发明了熟铁和钢的冶炼方法,铁在生产中从得以广泛应用。

汞和炼金术

七种金属为人类文明带来了新的曙光,但也是这七种金属,使人类陷入了某种神秘的境地,古代的人们天真地认为世界上只有这七种金属。他们认为金属起源于水银(汞的俗名)和硫磺,实际上,水银是一种银白色的液体金属,颜色和外观与银类似,铜铁锡铅都能溶于水银形成与金银类似的合金——汞齐;水银与硫磺化合后会生成黄色的硫化汞,与黄金类似。

基于水银和金属的这些特性,同时人们也认识到水银的化合物并非金银,炼金家们认为应该有一种特别方法可以使便宜的金属铜铁锡等变成贵重金属金银,他们称转变的秘方是一种叫“哲人石”的东西,但千百年来,“哲人石”只是炼金家的一种幻想,谁也没有发现这种东西。俄国学者莫洛佐夫写了一首题名为《七种金属》的诗歌来描述炼金家的这种思想,诗的译文如下:

世界由七种金属造成

宇宙啊,她赋予我们

铜铁银 锡铅金

各种金属之父是硫磺

水银则是他们的母亲

这种被科学史界称为“化学萌芽”的炼金术虽然给化学发展积累了一些资料,但由于他们远离生活和实践,一味地靠逻辑推理,从而导致了这种科学探索的失败。一直到九十年代的今天,在我国仍然有不少人存在着一些关于科学的天真幻想,这就给一些科学骗子以得逞的机会。八十年代的永动机,九十年代的“水变油”,就是很明显的科学骗局。从历史到现实,都很好地说明了,科学不能以幻想为基础,而只能以正确理论指导下的实验为基础。


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