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台积电争霸芯片未来的新秘技

半导体行业观察 ·2022-03-28 09:34·半导体行业观察
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来源:内容来自 联合报 ,谢谢。


近期台积电、三星及英特尔都不约而同强化对先进封装的投资,这不仅凸显先进封装将是继芯片制程由纳米推向埃米,也是晶圆厂让芯片效能更加强大的利器,由于封装架构工艺仍有很大突破空间,因此将生产完成的芯片,如何运用独门秘技,封成整合度更高、更强大的芯片,已成为芯片制造厂及封装厂的新战场。

台湾芯片制程和后段封测 全球第一


以芯片厂的营运模式,包括英特尔、三星等大多自己生产芯片,并自行封装测试,如果自家产能不足以应付,可将部分芯片外包给专业封装厂代为封装及测试,这类公司因生产一手包,又称为整合元件大厂(IDM)。

台积电则是专注晶圆代工厂,过去大多只专注负责芯片生产,后段封测则由台积或客户自行转交给日月光、矽品、艾克尔、力成、颀邦、南茂、超丰或大陆的江苏长电、通富微等公司。

半导体业者表示,全球半导体供应链经历长期演变,已逐步发展一套完整且区域分工的供应链体系,台湾因专注在芯片制程和后段封测,因而成为全球芯片制造及后段封测中心,目前这两项都排名全球第一。在美中贸易战及新冠肺炎疫情造成全球芯片断链危机下,台厂群聚效应持续扩大。

不过,随着芯片制程微缩逐渐遭遇瓶颈,芯片追求更高效能及更低功耗的需求有增无减,因而催生业者透过先进封装,延续摩尔定律的发展,并进而让异质整合封装,成为新显学。

各种形式的封装芯片、IC。图/联合报系资料照片

异质整合像平地盖房芯片堆叠成一颗


为何要异质整合,顾名思义就是要把不同功能的芯片,整合在一起。如果不考虑芯片尺寸愈来愈小,单纯把不同功能的芯片放在同一片载板,封在一起,这就类似在平地盖上三、四座平房,然后再用围墙围起来,其实难度不高。

但随芯片发展愈来愈讲究效能与尺寸微缩,还要完成封装,就如同过去在一大块面积上盖房子,现在变成在有限的面积上盖大楼,逐步将芯片堆叠,后来更演变要把不同制程的芯片、甚至不同功能的芯片,全封成一颗。这类的芯片就像把高运算的芯片、和辅助运算记忆体封在一起;或是把微控制器、影像感测器、温湿度感测器和功率元件及被动元件整合在一起,就叫做异质整合封装。追求微缩的目的,就是要腾出更多的空间让电池加大续航力。

如果按照过去芯片制造由台积电负责,后段封装由日月光或矽品负责,封完的芯片出货到鸿海等系统组装厂,若运作一切正常,品牌厂受到消费者喜爱,手机、笔电、电视大厂赚到钱,就会持续砸钱,支持开发更先进、功能更强大的产品,各生产体系订单也会跟进源源不绝。

不过,摩尔定律逐步遭到瓶颈,异质芯片整合难度愈高,如果芯片出了问题,到底是哪一端出了问题,究责晶圆制程厂时推给后段封装厂,但后段封装厂又推给芯片制造厂或芯片设计本身出问题,在类似事件层出不穷后,就逐步衍生品牌大厂干脆要求晶圆制程厂全包,芯片开发商或品牌厂,只对单一窗口,若芯片出问题,由提供整合服务商负责,看要是全做或赔偿,就比较单纯。

解密科技宝藏展览中展示技术成果,芯片对晶圆封装。图/联合报系资料照片

台积跨足后段封测连拿苹果代工大单


台积电后来跨足后段封测,也是在客户要求下,逐步提供整合后段服务。不过初期因后段封测毛利率低,台积电始终不愿扩大规模,但随着AI人工智能兴起,加上5G加快各类芯片应用,为符合高效能、高传输、低延迟及低功耗等要求,终于为异质芯片整合打开一片天。

台积电即靠着独特的芯片整合服务及先进后段封装,连续拿下苹果好几个世代的手机处理器代工大单;可编辑逻辑元件大厂赛灵思长期第一个率先采用台积电最先进封装,市占率一路领先对手;后续协助超微处理器痛击英特尔,快速抢占市占。

台积电后来甚至以此自豪,干脆整合所有封装平台为3D Fabric,提供更完整的先进封装服务,并同步在北、中、南扩建封装厂,在日本成立先进封装材料研发中心,甚至延缆前美光董事长徐国晋回锅,担任导线与封装技术整合部片负责人,虽然台积电迄今未公布其头衔,但据同业透露,这个编制规模已逾150人,要壮大小芯片(Chiplet)发展规模,都可以看出台积电对先进封装高度重视程度。

英特尔执行长基辛格手捧12吋晶圆。路透

三星、英特尔斥资封装领域急起直追


三星、英特尔也看到此趋势发展,都大力在这领域布局。三星去年6月就宣布下一代2.5D 封装技术I-Cube4芯片上市。三星的I-Cube就是一种异质整合技术,可将一个或多个逻辑芯片(如CPU、GPU等)和多个记忆体芯片(如高频宽记忆体,HBM)整合连结放置在矽中介层(Interposer)顶部,让多个芯片为单个元件工作。

三星更在近期宣布设立半导体封装与测试(TP)中心,要在后段制程上提高竞争力,追赶台积电。

英特尔执行长基辛格( Pat Gelsinger)在去年底短期来台拜会台积电高层后,随即飞往主持马来西亚封测厂加码70亿美元的扩建典礼,日前宣布在欧洲斥资330亿元扩大晶圆厂投资中,也包括要斥资100亿元,在意大利设立测试与封装厂。

由于英特尔在封装领域,有其独特坚强实力,是该公司长期在中央处理器独霸的关键,如今随着启动IDM2.0,冲刺晶圆代工版图,也将成为抢占想要推出高效能异质芯片客户的重要凭证,对台积电的威胁不容小觑。

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