高端性能封装:3D / 2.5D集成

资料来源:Yole Développement、华进半导体

高端性能封装对半导体行业而言至关重要

尽管摩尔定律已经存在了50多年,但它已不再具有成本效益。当谈到先进光刻节点时,有能力跟进的厂商屈指可数,目前仅有英特尔、三星和台积电这三家遥遥领先。业界正在利用先进封装技术,将多个先进和/或成熟的芯片集成到一个封装体内,这也被称为异质集成,配合2.5D / 3D封装,旨在让摩尔定律在系统层面得以延伸。

时代变迁,业界正在寻找替代方案,利用高端封装融合最新和成熟节点,采用系统封装(SiP)和基于小芯片的方法,设计和制造最新的SoC产品。2.5D / 3D封装正在加速3D互连密度(3D ID)的技术突破。

在2019年之前,高端封装在3D堆栈DRAM、HBM、FPGA等领域具有很好的商业化前景。它已被用于各种处理器和应用,包括CPU、GPU、处理器核心、固态硬盘、存储块和图形。展望未来,在高性能计算(HPC)应用中,封装技术的复杂性和协同性将会越来越高。(图1)

图1:高端封装技术和应用路线图(来源:Yole Développement、华进半导体)

高性能封装市场预测

2019年高端封装市场规模为8亿美元。预计2025年将达47亿美元,复合年增长率32%(2019-2025年)。按封装单位统计,2019年高端封装2.405亿单位,预计2025年将实现14.092亿单位,复合年增长率38%(2019-2025年)。高端性能封装的最大市场来自电信和基础设施终端市场,占比逾60%(2019年-2025年)。高端封装预计在「手机和消费」和「汽车和移动」领域增长最快,分别为60%和88%。(图2)

在数位时代的突出需求中,终端系统单元(包括云计算、网络、高性能计算和消费设备、个人计算和游戏等)的实施及利益驱动高端封装的发展。这些主要趋势为高端封装市场的发展良机打下了基础。此外,消费数字化趋势以及日益增长的物联网、移动连接和智慧物件应用,将为器件级高端性能封装市场扩张提供主要机会。它们需要高速且大存储与处理单元实现快速交互。例如,针对游戏应用的先进计算,通过硅通孔实现3D堆栈DRAM和HBM。为GPU配备高速存储器,确保实现高性能游戏。此外,苹果发布搭载了AMD Radeon GPU Vega 10 pro的升级版iMac pro。

虽然汽车和移动领域的高端封装市场规模较小,但其增速却名列前茅。高端封装在这一市场的强劲增长主要归功于汽车应用的AI和机器人趋势。

图2:2019-2025年高端性能封装市场预测(来源:Yole Développement、华进半导体)

主要玩家对高端性能封装供应链的影响

晶圆级封装正在改变标准的前后道供应链,并衍生出中道业务,即进行晶圆级Bumping和封装工艺。中道业务可在OSAT、WLP厂或IDM内实现。像英特尔、台积电和三星等大公司已经成功进军先进封装市场。在高端性能封装方面,它们的上市时间比OSAT更快,且规模空前。对OSAT构成了直接且强大的威胁。

大厂拥有前后道能力。作为晶圆代工厂,台积电关注前道和后道,3D SoIC成为其新焦点;因此,台积电可以快速决策,有效贯彻战略。英特尔也一直在积极推动其高端封装技术的商业化,如Foveros、EMIB和混合键合。英特尔的Foveros和台积电的CoWoS是直接竞争关系。虽然三星是HBM TSV领导者,但它并没有积极推广2.5D逻辑转接板。三星和英特尔需要确保从设计团队到系统部门都能达成一致。任何形式的变革都会受到许多根深蒂固的遗留问题的限制,减缓它们在先进封装领域取得领先地位的进程。

在高端封装领域,OSAT业务正在被代工厂和IDM蚕食。未来,因为拥有尖端的统包服务,如最新的硅节点制造技术和先进的封装,无晶圆厂模式可能会变得更有吸引力。无晶圆厂和设计公司正在寻找性价比更优的封装,特别是针对高端应用。如果大厂能同时保证质量和成本效益,那么OSAT必须采取措施确保先进封装的市场份额(图3)。

图3:高端包装玩家的映射基于技术(来源:Yole Développement、华进半导体)

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