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“封測廠已經跟不上晶圓代工的腳步了,摩爾定律都開始告急了,我們與其在裡面乾著急,不如做到外面去”,2011年,臺積電的餘振華面對媒體如是說。

餘振華是1994年就加入臺積電的元老級人物,是蔣尚義曾經的下屬,也是臺積電後摩爾定律時代的功臣。

01

臺積電要做先進封裝

2011年,重出江湖的張忠謀在第三季度法說會上宣佈,臺積電將會做先進封裝,為此張忠謀請回了已經退休的蔣尚義重新掌舵研發,而具體任務落在了餘振華的肩上。

影片截圖

在臺積電的法說會剛結束的第三天,恰好是日月光的法說會,日月光財務長董宏思一再被逼問如何看待臺積電進軍封裝領域,董宏思先是無奈的確認了事情屬實,然後再話語一轉,表示這種技術只會被用在極少數的特定高階產品中,影響有限。

這話觸怒了負責先進封裝研發的餘振華,後者立刻反擊道:“以後所有高階產品都會用,市場很大”,這話如今看來似乎是共識,但在當時卻引起軒然大波,因為它第一次將臺積電與封測廠旗幟鮮明的對立了起來。

後來餘振華又在SEMICON臺灣地區的演講中,大談臺積電的先進封裝,一位封測界的從業人員對餘振華的演講內容解讀為:“他的意思是:你們都完了,只剩下我。臺積電要征服全世界。”

矽品的研發副總裁馬光華甚至在演講當場發問餘振華:“你這樣說,是不是我們全部沒有工作了?”現場氣氛瞬間凍結到了冰點。

不論外界如何非議,臺積電要做先進封裝的決心是不變的。事實上在法說會之前的幾個月,臺積電就已經在最新版本設計指引中,將3D IC封裝和矽中介層給客戶選用。只待未來技術成熟,實現全面替換。為了發展CoWoS技術,張忠謀特意撥給了餘振華400名研發工程師。

有時候願望是美好的,現實是很殘酷的,先進封裝是座大山,攻克技術只是撼動它的第一步,有客戶願意用才算成功。

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拿下先進封裝的天王山

在餘振華兩年多的努力之下,臺積電終於開發出了CoWoS技術,但落實到產品上,只有一家企業願意下單,這個企業就是Xilinx,其餘的客戶都覺得太貴。Xilinx的高階FPGA晶片單價高,追求效能,所以願意採用這項技術,而其它客戶需要的是價效比產品,尤其是潛在客戶蘋果。

當時臺積電一心想拿下蘋果的訂單,在爭奪A6訂單的時候,三星在3D IC封裝技術上技高一籌,最終A6訂單花落三星,這或許是促成臺積電拿下先進封裝的誘因之一。

眼看臺積電大功告成,但CoWoS封裝的價格高出客戶預期的5倍,這不得不讓張忠謀感到惆悵。突然一天,蔣尚義衝進了張忠謀的辦公室,告訴張忠謀餘振華挖到了一個大金礦。

年近七旬的蔣尚義之所以如此激動,是因為餘振華思考出了一種精簡的設計,能夠將CoWoS結構儘量簡化,並且價格壓低到原來的五分之一,這種技術就是後來的InFO技術。

自此,臺積電的先進封裝分成了兩部分,更為經濟的InFO封裝技術,成為手機客戶採用的首選,這項封裝技術也成為臺積電吃下蘋果訂單的關鍵之一。而專注於高階客戶市場的CoWoS封裝技術也因為人工智慧的發展,迎來屬於自己的黎明。

2017年,打敗世界棋王的高科技產品AlphaGo,其採用的人工智慧晶片TPU 2.0,就是臺積電的CoWoS封裝技術;後來,英特爾與Facebook要挑戰英偉達在深度學習上的壟斷地位,合作推出的Nervana類神經網路處理器,同樣採用的是CoWoS封裝。

不知不覺中,CoWoS封裝似乎已成為人工智慧的標配。

03

後摩爾定律時代

時間來到了2020年,臺積電的5nm已實現量產,十年前餘振華談到的摩爾定律的極限正在成為現實。根據美國喬治城大學安全與新興技術中心(CSET)的調查,在過去3代晶片中,臺積電的晶粒平均價格都大幅下滑,但是到了5nm,單顆晶片的製造價格不降反升,比前一代多出了5美元,摩爾定律失效就在眼前。

而先進封裝成為了提升晶片算力,降低晶片平均價格的一大利器。臺積電董事長劉德音去年(2020年)公開表示,微縮加3D IC技術,未來能讓每單位運算密度每2年成長2倍。

經過將近十年的發展,臺積電已是高階高密度扇出型晶圓級封裝的主要領導者之一。為維持市場的龍頭地位,2020年臺積電宣佈資本支出上看170億美元,其中有10%將用於先進封裝。1月14日,臺積電公佈2021年的資本支出達到250億~280億美元,其中約10%將被用於先進封裝技術量產需求。

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封測廠風起雲湧

臺積電做封裝,有著得天獨厚的條件。如果臺積電做先進封裝失敗了,只要再生產一片晶圓給客戶即可,試錯機會大,容錯率高,而封測廠則不同,封測廠做壞一片晶圓,要按照市價去賠償,動則一片就要上萬美元。

但無論如何,傳統的封裝已經走到了拐點,先進封裝代表未來。為了狙擊臺積電,也為了能夠在3D IC封裝佔據一席之地,2012年開始,封測雙雄日月光與矽品紛紛佈局先進封測。

矽品在中科申請了5公頃的用地,計劃作為首座3D IC封裝和銅柱凸塊等先進封裝的製造用地。日月光啟動回臺投資計劃,其投資7億美元,針對位於高雄楠梓加工區的第二期新廠進行擴建,重心鎖定高階手機晶片所需要的覆晶封裝、植晶凸塊、3D IC的先進封測產能。

在技術上,日月光更看好晶片異質整合趨勢所帶來的SiP(系統級封裝)商機,並透過不斷加碼取得了豐碩的成果,2019年日月光的總營收25億美元,其中SiP貢獻了2.3億美元,SiP所帶來的營收超出預期1.3億美元。

而矽品,則比較曲折。

2015年,日月光公開宣佈,溢價34%收購矽品25%的股權,收購金額高達350億新臺幣,這意味著兩大封測巨頭進入整合期,隨後日月光輾轉用了一年多時間與矽品就全資收購達成共識。後來,進入2020年,這項收購還在稽核透過中,矽品將大陸的分公司賣給了某神秘大廠。

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中芯國際與長電結盟

臺積電的封裝之路始於2008年底,當時臺積電成立了導線與封裝技術整合部門,據說張忠謀最初選定的是梁孟松來研究先進封裝,以求超越摩爾定律的極限。但與先進製程相比,封裝是個冷板凳,短期內也不會賺錢,所以梁孟松拂袖而去,這才有了蔣尚義和餘振華的組合。

與梁孟松不同的是,蔣尚義認為,當積體電路做到極致的時候,就應該反過來研究整個系統,隨著未來先進製程進步越來越緩慢,封裝和電路板會成為制約整個系統的瓶頸,所以先進封裝勢在必行。有了先進封裝就可以讓整個系統的架構發生徹底的改變,工程師不再追求把晶片越做越小,而是把大的晶片分成小的晶片再重新組合。

2017年,梁孟松入職中芯國際,在隨後的兩年多時間裡,為中芯國際帶來了先進製程,不過進入2020年,國際形勢波譎雲詭,先進製程還能否繼續往前,成為一個問題。

此時,蔣尚義重回中芯國際,可以給予中芯國際除了先進製程之外,從先進封裝技術和小晶片領域的技術支援,也有助於幫助中芯國際走出困境。

事實上,中芯國際也看到了先進封裝的前景。2016年,中芯國際透過旗下的全資子公司芯電上海,以人民幣26.55億元的價格入股長電科技,再加上之前收購星科金朋時的1億美元股權轉為長電科技的股權,中芯國際成為長電科技單一最大股東。後來,隨著2018年大基金的入股,中芯國際才讓賢。

中芯國際與長電科技的戰略合作,從產業鏈角度來看,可以讓國產芯儘量規避供應鏈風險,加速國產替代,在技術方面中芯國際和長電科技作為Foundry和OSAT的行業龍頭,可以更好的合作,讓先進製造與先進封測更加密切的相互合作,從而突破國產芯的技術極限。

總結

匆匆忙忙,時間跨入了21世紀的第三個十年。在上一個十年裡,臺積電引領全球半導體奔向摩爾定律的極限,但也意識到了摩爾定律的侷限,所以十年磨一劍,從先進封裝下手,欲再次挑戰算力的極限。

而封測廠也不甘示弱,在技術上不斷推陳出新,市場上不斷攻城略地,大陸企業同樣絲毫不敢懈怠下來,一場關於先進封裝的競技賽已經拉開帷幕,在這個賽場之上,誰將執半導體產業下一個十年的牛耳,還需拭目以待。

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