299期
2021 年 12 月 22 日
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扇出型封裝正變得無處不在
李延/愛集微

集微諮詢(JW insights)認為:

扇出型封裝 (Fan-out Panel Level Packaging, FOPLP) 因為能夠提供具有更高I/O密度的更大晶片,大幅減少系統的尺寸,正成為應對異構整合挑戰的不二之選;

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,扇出型封裝可能會迎來全面的爆發。

由於摩爾定律在7nm以下已經難以維持以前的速度,後端封裝技術對於滿足對低延遲、更高頻寬和具有成本效益的半導體晶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密度的更大晶片,大幅減少系統的尺寸,正成為應對異構整合挑戰的不二之選。

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。當晶片被加工切割完畢之後,會放置在基於環氧樹脂模制化合物的晶圓上,這被稱為重構晶圓。然後,在模制化合物上形成再分佈層(Redistribution Layer ,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佈線。在扇入型封裝中,RDL向內佈線,而在扇出型封裝中,RDL既可向內又可向外佈線。其結果就是,扇入型封裝最大只能容許約200個I/O,而扇出型封裝可以實現更多的I/O。

圖1. 扇出型封裝和扇入型封裝http://s.laoyaoba.com/jwImg/news/2021/12/09/16390361429863.png

最早的扇出型封裝是英飛淩在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只被應用在手機基頻晶片上,很快就達到了市場飽和。直到2016年,台積電在FOWLP基礎上開發了整合扇出型(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。

圖2. 2020-2026年扇出型封裝市場發展預期
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圖片來源: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) 和面板級扇出型技術(Fan-out Panel Level Packaging, FOPLP)。

FOPLP技術的雛形是嵌入基板式的封裝,將一些無源器件或功率器件嵌入在基板裡面進行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等大型晶片,FOPLP則以APE、PMIC、功率器件等為主。

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

圖3. FOWLP與FOPLP在尺寸上的差距
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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。因其競爭者的扇入式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)。隨著越來越多的手機OEM廠商希望為應用處理器採用HDFO平臺,FOWLP資本支出預計將增長。

FOWLP市場還具有較大的不確定性,需要新的整合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。

圖4. 有能力提供FOWLP技術的公司http://s.laoyaoba.com/jwImg/news/2021/12/09/16390369332683.png
資料來源:TechSearch International

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技術相同,FOPLP 技術可以將封裝前後段制程整合進行,可以將其視為一次的封裝制程。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,用基板類的技術路徑來實現面板級封裝,這條路線更適合普通的廠商。

圖5. 2020-2026年FOPLP與FOWLP的增長預測
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資料來源:Yole

根據Yole的報告,FOWLP仍為扇出型封裝的絕對主流,2020年的市占率達到了97%。不過FOPLP也將穩步成長,市占率將從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晶片,如何將其合理佈置到PCB上並實現高效的電氣連接,如何形成高膜厚均勻性且高解析度的RDL,都是需要面對的關鍵挑戰。

各路廠商競相佈局

目前台積電是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,還為伺服器開發了InFO-MS(基板上的記憶體),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占市場份額總計達95%。

中國大陸地區封裝廠也在積極佈局扇出型封裝,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、記憶體、邏輯、封裝、晶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。

另一方面,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、以及電原始伺服器中。

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制程中。在中國大陸地區,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面顯示器(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。

 

※ 本文由愛集微授權北美智權報刊登

【本文僅反映專家作者意見,不代表本報立場。】

 
作者: 愛集微
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