集微諮詢:扇出型封裝正在變得無處不在

由於摩爾定律在7nm以下已經難以維持以前的速度,後端封裝工藝對於滿足對低延遲、更高帶寬和具有成本效益的半導體芯片的需求變得越來越重要。而扇出型封裝因為能夠提供具有更高I/O密度的更大芯片,大幅減少系統的尺寸,正成為應對異構集成挑戰的不二之選。

集微諮詢(JW insights)認為:

– 扇出型封裝因為能夠提供具有更高I/O密度的更大芯片,大幅減少系統的尺寸,正成為應對異構集成挑戰的不二之選;

當FOPLP技術進一步成熟,有越來越多類型的廠商參與進來的時候,扇出型封裝可能迎來全面的爆發。

扇出型封裝的興起

扇出(Fan-Out)的概念是相對於扇入(Fan-In)而言的,兩者都遵循類似的工藝流程。當芯片被加工切割完畢之後,會放置在基於環氧樹脂模製化合物的晶圓上,這被稱為重構晶圓。然後,在模製化合物上形成再分佈層(RDL)。RDL是金屬銅連接走線,將封裝各個部分進行電氣連接。最後,重構晶圓上的單個封裝就會被切割。

兩者最大的差異就來自於RDL布線。在扇入型封裝中,RDL向內布線,而在扇出型封裝中,RDL既可向內又可向外布線。其結果就是,扇入型封裝最大隻能容許約200個I/O,而扇出型封裝可以實現更多的I/O。

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圖 扇出型封裝和扇入型封裝

最早的扇出型封裝是英飛凌在2004年提出的,被稱為扇出型晶圓級封裝(Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP),在2009年開始進行商業化量產。但是,FOWLP只被應用在手機基帶芯片上,很快就達到了市場飽和。直到2016年,台積電在FOWLP基礎上開發了集成扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封裝,用於蘋果iPhone 7系列手機的A10應用處理器。兩者的強強聯手終於將扇出型封裝帶向了新高度。

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圖 2020-2026年扇出型封裝市場發展預期(圖源:Yole)

如今的扇出型封裝正處在高速增長期中。根據Yole最新的報告,扇出型封裝市場正經歷強勢增長,2020-2026年間的整體CAGR將達15.1%,市場規模在2026年底將增至34.25 億美元。其中,移動與消費領域為16.13億美元,電信與基礎設施領域為15.97億美元,汽車與出行領域為2.16億美元。

花開兩支

扇出型封裝有兩大技術分支:晶圓級扇出型(Fan-out Wafer Level Packaging, FOWLP)和板級扇出型技術(Fan-out Panel Level Packaging, FOPLP)。

FOPLP技術的雛形是埋入基板式的封裝,將一些無源器件或功率器件埋入在基板裡面進行RDL互連,形成一個小型化的解決方案。相比FOWLP,FOPLP的封裝尺寸更大,成本更低,很快就成為封裝領域的研發熱點。FOWLP擅長於CPU、GPU、FPGA等大型芯片,FOPLP則以APE、PMIC、功率器件等為主。

FOPLP採用了如24×18英寸(610×457mm)的PCB載板,其面積大約是300 mm硅晶圓的4倍,因而可以簡單的視為在一次製程下,就可以量產出4倍於300mm硅晶圓的先進封裝產品。

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圖 FOWLP與FOPLP在尺寸上的差距

FOWLP的發展主要由台積電將InFO提供給IOS生態所推動,現在也有越來越多的頂級手機OEM廠商將採用HDFO(High-Density Fan Out:高密度扇出)設計。不過,FOWLP仍然是一項利基技術,目前只有台積電、三星、ASE等不多的參與者。因其競爭者扇入式WLCSP和FCCSP仍保有低成本、高可靠性等優勢,核心FOWLP成長也不會特別快速。

5G mmWave的採用可能有助於增加FOWLP的數量,特別是對於OSAT細分市場(RF細分市場)。隨着越來越多的手機OEM廠商希望為應用處理器採用HDFO平台,FOWLP資本支出預計將增長。

FOWLP市場還具有較大的不確定性,需要新的集成解決方案和高性能扇出型封裝解決方案。但是,該市場具有很大的市場潛力。主流的封裝廠和台積電都已經擁有自己的FOWLP技術,只是命名各有不同。

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FOPLP可被認為是一種從晶圓和條帶級向更大尺寸面板級轉換的方案。和FOWLP工藝相同,FOPLP 技術可以將封裝前後段製程整合進行,可以將其視為一次的封裝製程。由於其潛在的成本效益和更高的製造效率,吸引了市場的廣泛關注。加之面板的大尺寸和更高的載具使用率(95%),還帶來了遠高於FOWLP的規模經濟效益,並且能夠實現大型封裝的批量生產。

由於FOWLP的成功和市場認識,使FOPLP吸引了更多關注,包括許多不同商業模式的廠商,例如外包半導體組裝和測試廠商、IDM、代工廠、基板製造商和平板顯示(FPD)廠商。它們都力爭通過FOPLP技術涉足先進封裝業務。

FOPLP有兩條技術路線,一是像三星電機為三星公司的AP處理器採用該技術,這需要非常強有力的客戶來做支撐;二是原來做QFN的MOSFET等產品,用基板類的工藝路徑來實現板級封裝,這條路線更適合普通的廠商。

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圖 2020-2026年FOPLP與FOWLP的增長預測(數據來源:Yole)

根據Yole的報告,FOWLP仍占扇出型封裝的絕對主流,2020年的市佔率達到了97%。不過FOPLP也將穩步成長,市佔率將從2020年的3%提升到2026年的7%。

無論是FOWLP還是FOPLP,扇出型封裝中異質整合了各類芯片,如何將其合理布置到PCB上並實現高效的電氣連接,如何形成高膜厚均勻性且高分辨率的RDL,都是需要面對的關鍵挑戰。

各路廠商競相布局

台積電是FOWLP市場的領先者,主要得益於inFO封裝成功運用在iPhone的APE中,並在2016年產生了一個新的細分市場:HDFO(高密度扇出型封裝)。InFO-oS技術現已用於小批量製造中的HPC,還為服務器開發了InFO-MS(基板上的內存),也為5G開發了InFO-AiP。同時兼具晶圓代工和高端封裝兩種身份,讓台積電會繼續創造獨特的價值。

目前,台積電在該領域所佔市場份額為66.9%。而台積電、日月光半導體、江蘇長電科技和安靠科技所佔市場份額總計達95%。

大陸地區封裝廠也在積極布局扇出型封裝,並開發出了具有特色的新工藝,比如長電先進開發的ECP工藝,採用包覆塑封膜替代了液態或者粉體塑封料;華天開則發出eSiFO技術,由於採用via last TSV方式,可以實現高密度三維互連。

在FOPLP方面,三星電機是絕對的引領者。當初,三星電機正是通過發明這種技術來與台積電的inFO相抗衡。

三星集團在設計、內存、邏輯、封裝、芯片組裝和最終產品方面發揮了重要作用,因此可以在其內部推動扇出型封裝的突破。作為三星集團的一部分,三星電機要貢獻差異化但成本低廉的技術。在2018年,三星電機通過為三星Galaxy Watch推出具有扇出型嵌入式面板級封裝(ePLP)PoP技術的APE-PMIC設備,實現了新的里程碑。三星電機將繼續為具有成本效益的高密度扇出封裝進行創新,以便再次與台積電競爭蘋果的封裝和前端業務。

日月光也推出面板級扇出型(Panel FO)封裝,2019 年底產線建置完成,於2020下半年量產,應用在射頻、射頻前端模組、電源服務器中。

除了三星電機之外,J-DEVICES、FUJIKURA、日月光半導體、Deca Technologies、矽品科技等封裝廠也在積極投入FOPLP製程中。在大陸地區,合肥矽邁、中科四合、重慶矽磐微等廠商也都實現了批量出貨。

目前看來,FOWLP和FOPLP都有各自的發展路徑。不過,FOPLP的發展給了封裝廠,乃至基板製造商和平板顯示(FPD)廠商在扇出封裝領域同晶圓代工廠一較高下的資本。集微諮詢(JW insights)認為,當FOPLP技術進一步成熟,有越來越多類型的廠商參與進來的時候,扇出型封裝才會迎來全面的爆發。

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