小晶片Chiplet大商機

【文/吳禹潼】

進入後摩爾定律時代,先進封裝成為半導體產業的新顯學,而小晶片的異質整合商機更是眾廠商磨刀霍霍的兵家必爭之地。

在半導體晶片製造的過程中,當晶片從晶圓廠被生產出來之後,還必須經過最後一道非常關鍵的步驟,才能變成具備不同功能的元件,這個步驟就是:封裝測試。所謂封裝,是將晶片連上印刷電路板或其他電子元件,讓訊號與電流能夠順利地傳遞,而測試則是在晶片製作過程的各個階段,進行不同程度的檢測,進而確認晶片的可靠度以及良率,兩者都是在晶片製造的過程當中不可或缺的重要程序。

更進一步來看,在封裝的同時,為了能夠達到更高的效能,晶片整合就成為各廠商著重發展的重中之重,但是,先前因為受限於異質晶片整合(Heterogeneous Integration)的製程存在著不小的差異,兩者整合起來的良率也相對偏低,再加上過去封裝廠多半採取分工模式,以致製程大多仍然是以同質晶片整合為主。不過,基於台灣半導體供應鏈完善,又具備頂尖晶圓代工的產業優勢,台灣的封裝廠商在同質晶片整合的布局已行之有年,確實可以說是相當成熟。

先進封裝市場爆發式成長

近來,在後摩爾定律時代對晶片性能要求持續提升的帶動之下,半導體產業的供應鏈廠商也日益增加在先進封裝領域的投資,根據市場知名研究機構Yole日前發表的先進封裝市場報告,預測二○二○~二六年間,先進封裝市場將以年複合成長率七.九%的強勁氣勢大幅成長,到二○二五年為止,市場營收就將突破四二○億美元的規模水準,大約是傳統封裝市場預期成長率的三倍之多,其中,又以2.5D/3D堆疊IC、嵌入式晶片封裝(Embedded Die; ED)和扇出型封裝(Fan-Out; FO)為成長最快的三大技術平台,年複合成長率分別為二一%、十八%和十六%。

確實,隨著晶圓代工產業逐漸邁向高階製程,且製程越來越精密,尤其進入七奈米之後,能夠整合的項目就比以往更加多元,包括邏輯電路(Logic)、射頻(RF)電路、MEMS(微機電)、感測器(Sensor)等等各種不同的晶片在內,都需要被整合在同一個封裝當中。也就是說,提供異質晶片整合製程的整體解決方案就理所當然地躍上檯面,成為整個半導體產業未來的發展趨勢,

更深入來看,所謂異質晶片整合製程,就是將各種不同小晶片(Chiplet)包括了記憶體及邏輯晶片等,透過先進封裝製程緊密集合在一起。隨著先進製程的不斷發展,原先傳統的2D封裝已經無法達到相關的需求,於是晶片廠商逐漸轉向3D IC,如WoW(Wafer-on-Wafer)、甚至CoW(Chip-on-Wafer)等的技術研發,而這種新型態的3D堆疊晶片製程技術就替異質晶片整合帶來了更多發展的想像空間。

也就是說,過去是將同質晶粒封裝在一起,現在則是把兩個、甚至多個不同性質的電子元件(如邏輯晶片、感測器、記憶體等)整合進單一封裝裡;或從晶片的布局下手,利用2.5D/3D等多維度空間設計,將不同電子元件堆疊、整合在一個晶片中,解決空間限制,進而達到改善功耗和效能、大幅縮小體積的效果。

但是,一旦整合的項目增加,相關製程的複雜度與難度也就隨之大幅成長,話雖如此,為使晶片變得更加輕薄短小達到終端的要求,半導體產業確實迎來更多需要系統單晶片整合的挑戰,同時,也衍生出了系統封裝(System in Package)的相關商機,而綜觀現在所有一線的半導體業者,包括:台積電、三星(Samsung)、英特爾(Intel)在內,也都致力於異質晶片整合製程的發展。

若是從當前各廠商的布局來看,從專門委外的封測代工廠(OSAT)到晶圓代工廠,針對布局異質整合封裝技術,確實都是磨刀霍霍、各擁優勢,封測廠主要布局SiP on Substrate、低密度扇出型晶圓級封裝(FOWLP)以及高密度晶圓級封裝等,同時,也有封測廠布局2.5D IC;而晶圓代工廠則是主要布局高密度晶圓級封裝、2.5D Interposer和3D IC等等。

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