麦肯锡咨询报告：先进封装前景广阔 制造商如何在市场中获胜？

集微网消息，随着摩尔定律的优势达到极限，芯片性能的进步更多地依赖于包括封装在内的后端生产。由于先进封装提供了比传统封装更高价值的机会，主要参与者和快速追随者正在开发各种形式的技术并将其商业化，以赢得优质客户。麦肯锡日前发布报告描述了市场如何发展，并建议制造商如何利用机会在市场中获胜。

半导体晶圆是集成电路的基础，对当今大多数技术至关重要。与设计和制造晶圆的前端工艺相比，后端的封装工艺经常被低估，原因有二：首先，仍然可以使用老一代设备来封装晶圆；其次，封装主要由外包半导体组装和测试公司（OSAT）完成，这些公司主要基于低劳动力成本而不是其他差异化优势进行竞争。

这种模式可能会随着先进封装的引入而改变，先进封装使用复杂的技术并聚合各种晶圆组件，创造出具有卓越性能的单一电子设备。先进封装于2000年左右推出，目前作为半导体技术的下一个突破点，拥有巨大的发展前景。

先进封装有助于满足现今主流的新兴应用（例如5G、自动驾驶汽车和其他物联网技术以及虚拟和增强现实）的半导体的需求。这些应用需要高性能、低功耗的芯片，能够快速处理大量数据。尽管摩尔定律在1965年规定微芯片上的晶体管数量每隔几年就会翻一番，但节点的进步现在已经达到了极限。因此，芯片制造前端的技术进步正在放缓，经济上可行的芯片最大尺寸及其性能也变得更加有限。结合多个芯片的后端技术新方法提供了一个有前途的解决方案。

封装技术的发展历史

自2000年以来，三种主要的先进封装技术已投入商业应用，补充了过去半个世纪盛行的两种技术。

传统包装技术：

引线键合技术开发于 20 世纪 50 年代，至今仍在使用，它是一种互连技术，使用焊球和细金属线将印刷电路板 (PCB) 连接到芯片（包含集成电路的硅方块）。它比封装芯片需要更少的空间，并且可以连接相对较远的点，但它可能会在高温、高湿度和温度循环中失效，并且每个键必须顺序形成，这增加了复杂性并会减慢制造速度。预计到2031年，引线键合市场价值将达到约160亿美元，复合年增长率为2.9%。

封装技术的第一次重大发展出现在20世纪90年代中期，采用倒装芯片，它使用面朝下的芯片，其整个表面区域用于通过将PCB与芯片粘合的焊料“凸块”进行互连。这导致更小的外形尺寸或硬件尺寸以及更高的信号传播速率，即信号从发射器到接收器的更快移动。倒装芯片封装是目前使用最常见、成本最低的技术，主要用于中央处理器、智能手机和射频系统级封装解决方案。倒装芯片允许更小的组装并且可以承受更高的温度，但它们必须安装在非常平坦的表面上并且不容易更换。目前倒装芯片市场规模约为270亿美元，预计复合年增长率为6.3%。

晶圆级封装：

传统封装首先将硅晶圆“切割”成单独的芯片，然后将芯片附着到PCB上并建立电气连接，而晶圆级封装则在晶圆级进行电气连接和成型，然后使用激光切割芯片。晶圆级芯片级封装 (WLCSP) 和倒装芯片在芯片配置方面的最大区别在于，WLCSP的芯片和PCB之间没有基板。相反，重新分布层 (RDL) 取代了基板，从而缩小了封装并增强了导热性。

晶圆级封装分为扇入型和扇出型两种。在主要用于需要基本技术的低端手机的扇入式晶圆级封装中，RDL被布线到芯片的中心。在2007年推出的扇出版本中，RDL和焊球超出了芯片的尺寸，因此芯片可以拥有更多的输入和输出，同时保持薄型。

扇出封装分为三种类型：核心封装、高密度封装和超高密度封装。核心封装主要用于不需要高端技术（例如射频和信息娱乐芯片）的汽车和网络应用，在近15亿美元的扇出封装市场中所占比例不到20%。高密度和超高密度主要用于移动应用，预计将扩展到一些网络和高性能计算应用。全球最大的WLCSP制造商是台湾积体电路制造公司 (TSMC)。

过去十年见证了堆叠式WLCSP的发展，它允许在同一封装中集成多个集成电路，并可用于集成逻辑和存储芯片的异构键合以及存储芯片堆叠。在2.5D堆叠中，两个或多个芯片并排放置，并通过中介层将一个芯片连接到另一个芯片。根据所使用的中介层类型，2.5D堆叠可分为多种类别：

1.硅中介层是唯一需要TSV或硅通孔（一种穿过硅芯片或晶圆的垂直电气连接）的类型。硅中介层采用的是已经上市十多年的稳定技术，但硅的成本较高，并且需要前端技术和制造能力。台积电的CoWoS-S（基板上晶圆芯片）占据市场主导地位。

2.硅桥相对较新。由于它们比传统硅中介层使用更少的硅，因此更薄，从而降低了功耗并提高了设计灵活性。与传统硅中介层相比，它们的优势在于可以实现更先进的系统级集成，因此它们用于人工智能等高性能计算（HPC）。代表性技术包括英特尔的EMIB（嵌入式多芯片互连桥）和台积电的CoWoS-L。

3.重新分布层也可以充当中介层。该技术的最大优势在于，创建RDL的光刻工艺可实现精细图案化，从而提高速度增益和散热。台积电的CoWoS-R（晶圆上芯片RDL）即将开始量产。

4.玻璃也正在成为下一代中介层材料。它在高频带宽中提供低成本和低功耗，但可能在一段时间内无法上市。

在3D堆叠中，多个芯片面朝下堆叠在一起，无论有或没有中介层。3D堆叠有两种主要类型。最常见的类型是带有微凸块（μ 凸块）的 TSV。较新的替代方案是无凸点混合键合，使用电介质键合和嵌入式金属形成互连。

未来市场将如何演变？

先进封装市场由各种技术的最终应用驱动。自2010年代中期以来，扇出晶圆级封装占据主导地位，占据约60%的市场份额。扇出封装比堆叠封装更便宜，并且专为高耐热性和小外形而设计。这些属性使其适合移动应用程序，而移动应用程序可能会产生大部分需求。

Apple 在其应用处理器、图形芯片以及5G和6G调制解调器芯片中采用扇出高级封装。它是该技术的最大用户，消耗了台积电大部分的产量。其他顶级无晶圆厂商——即设计和销售硬件和芯片但外包制造的公司——也在批量生产的芯片中使用扇出技术。

HPC和网络应用的大部分增长可能来自消费设备中的人工智能芯片、边缘计算和网络芯片，这些芯片需要扇出封装能够提供的小外形尺寸和可承受的成本。

2.5D堆叠增长最有可能的推动力可能是HPC应用程序，数据中心对HPC应用程序的需求很高。尽管到2022年，只有不到20%的数据中心容量使用2.5D堆叠，但这一比例在未来五年内可能会增加到50%。对于移动应用，2.5D封装被认为成本太高，但随着下一代的到来，这种情况可能会改变，下一代封装将采用更便宜的硅桥、RDL和玻璃中介层。

对于3D封装、内存（3D 堆叠的主要应用）和 SoC 的使用预计将以大约30%的复合年增长率增长。3D堆叠存储器越来越多地与需要高带宽的高性能产品的逻辑芯片相结合，包括高带宽存储器 (HBM) 和采用HBM的存储器处理 (PIM-HBM)。对3D堆栈内存的大量需求可能来自需要高容量和高速度的数据中心服务器，以及需要尽可能大的内存和处理带宽的图形加速器和网络设备。

HPC系统，特别是CPU，将推动对3D SoC芯片的需求。主要参与者于2022年开始采用混合粘合，快速追随者可能很快就会加入市场。鉴于技术壁垒较高，OSAT、低端代工厂和集成设备制造商 (IDM) 不太可能进入该市场。

赢得市场的关键要素

市场增长很大程度上依赖于最终客户，例如汽车原始设备制造商和家电制造商。由于自动驾驶汽车等应用对快速、可靠计算的需求不断增长，越来越多的最终客户正在寻求先进的封装提供商。对于半导体制造商（尤其是逻辑 IDM 和代工厂）而言，先进封装可能是一个关键卖点。由于自动驾驶汽车等应用对快速、可靠计算的需求不断增长，越来越多的最终客户正在寻求先进的封装提供商。

为了获得并留住高价值的无晶圆厂客户，制造商需要轻松地共同开发先进封装解决方案。尽管无晶圆厂厂商在大规模生产开始之前完全掌控了芯片规划流程，但制造商仍有增加价值的空间。联合开发通常发生在芯片架构设计阶段和用于设计验证的初始穿梭运行期间。由于对更高性能芯片的需求以及封装带来的芯片设计复杂性的增加，预计这种合作的需求将会增加。

2016年，台积电与其主要客户密切合作，发布了创新的集成扇出（InFO）晶圆级系统，主要用于无线应用。最近，InFO AiP和InFO PoP等衍生产品已发布，可扩展到网络和HPC的其他应用。

快速追随者可能很难赶上市场领导者，因为需要巨额技术投资才能向客户保证支持产品的数量。此外，尽管快速追随者可能拥有扇出和2.5D的研发级封装技术，但他们几乎没有或根本没有生产经验，而这对于高生产良率至关重要。为了克服这个问题，包装企业需要从发展的初始阶段就获得固定客户。将他们的公司定位为愿意从设计阶段帮助制造先进封装产品将是获取客户的关键。

先进封装需要改变最终用户软件和硬件的架构，因此在初始架构阶段就应该考虑封装设计，此时后端提供商的支持可以减轻采用先进封装的负担。一旦客户选择了先进封装供应商，他们很可能也会在未来的项目中选择该供应商。

为了获得设计能力，公司可以与设计公司合作或投资设计公司。设计公司在从知识产权 (IP) 开发到设计和生产的整个芯片制造过程中发挥着关键作用。此外，拥有IP池可以帮助客户快速满足他们的设计需求，并让他们避免冗余的设计和资源。设计公司应该能够提供前端和后端服务。前端服务包括寄存器传输级设计和所需功能的高层描述；后端设计包括逻辑测试和布局布线。

对于芯片制造商来说，另一个潜在的重要价值主张是确保设计能力并提供从设计到晶圆制造、封装和测试的交钥匙解决方案。此类产品为客户提供一站式服务。

在制造方面，2.5D和3D封装制造商需要掌握的两项关键技术能力分别是中介层和混合键合。对于2.5D，制造商必须能够使用新型材料和制造方法（包括硅、RDL和玻璃）来处理新兴中介层解决方案。对于3D技术，混合键合需要化学机械平坦化，以相同的平坦度抛光各种物质并防止凹陷，以及通过设备和技术中的磁盘到晶圆功能实现高互连精度。

对各类制造商的影响

先进封装的主要参与者包括具有领先或成熟节点能力的代工厂、OSAT以及IDM。图表显示了先行者和快速追随者当前所具备的能力。

先行者：

先行者已经进入市场，并基于其逻辑封装能力进行批量生产。他们正在积极与现有客户一起开发用例并应用尖端的先进封装技术。虽然这些主要参与者在研发和制造方面处于领先地位，但在面临快速增长的需求时，他们可能会寻求与追随者合作以稳定产量。

先行者凭借其逻辑封装能力实现了大批量生产。尽管这些企业在研发和制造方面处于领先地位，但在面临快速增长的需求时，他们可能会寻求与追随者建立合作伙伴关系，以稳定产量。

快速追随者：

许多快速追随者正在努力抢占先进封装市场的份额，但尚未掌握设计或制造能力，也没有建立足够的客户群，尤其是高端解决方案。

拥有成熟节点能力但缺乏先进封装的代工厂可以从当前产品组合中寻找协同效应中获益匪浅。虽然节点小于10纳米的先进逻辑芯片对先进封装的需求最大，但对于快速追随者来说，寻找机会占领成熟节点市场至关重要。可以采用先进封装来增强成熟节点传统芯片性能的一些领域包括用于网络应用的射频收发器芯片、高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 以及用于汽车应用的信息娱乐芯片。

另一种选择是与逻辑提供商合作，为使用成熟和领先节点的特定应用开发设计和制造解决方案。这种策略的可行性在很大程度上取决于最终应用程序的需求和逻辑提供商的需求。

OSAT：

OSAT在高端先进封装市场的能力有限。他们可以提供相对低端的解决方案，或者寻求在某些价值链领域与具有高端先进封装能力的厂商合作，而不是试图与高端解决方案直接竞争。领先的OSAT正在积极投资以扩大其提供的先进封装的范围。有些已经可以处理核心和高清级扇出封装，但2.5D和3D堆叠主要仍处于研发阶段。

OSAT的另一个选择是与能够进行2.5D和3D堆叠的厂商合作。虽然这些合作伙伴致力于核心工艺（包括硅通孔、RDL 光刻和混合键合），但OSAT可以为中后端工艺（包括晶圆减薄和凸点）提供解决方案。

尽管代工厂和IDM正在开发先进封装能力，但他们可能只会使用先进封装来吸引需要最先进技术的高端客户，因此不会扰乱整个OSAT业务。鉴于运营利润率与前端制造相比存在显着差异，预计它们不会扩展到核心和扇出先进封装领域，尽管它们可能会进军利润更高的先进2.5D或3D封装领域。

IDM：

逻辑能力对于先进封装至关重要，但3D堆叠技术仍然可以为内存IDM提供机会，因为顶级厂商正在使用它来增强包括基础级逻辑芯片在内的内存芯片的性能。IDM厂商还可以利用该技术为主要客户的先进封装芯片定制存储器，从而使自己脱颖而出。

存储器IDM的另一个场景是开发逻辑功能，特别是在设计或制造方面，以实现与先进封装的协同作用。然而，这需要大量投资和跨越价值链的冒险跨越。

先进封装的出现改变了芯片制造商的竞争格局。包装不再是一种商品流程，各大公司已首先采取行动，将先进包装作为其产品的战略部分。如果其他制造商找不到将先进封装纳入其战略和产品的方法，他们就会面临被商品化的风险。先进封装市场提供了许多颠覆性的机遇，也带来了可能超出常规业务的挑战。