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扇出型晶圓級封裝 滿足高接腳數晶片需求

  • 魏淑芳
iPhone7處理器A10採用台積電的InFoWLP封裝技術。來源:Apple

從2016年至2017年,扇出型封裝技術(Fan-Out)仍然是熱門議題。尤其在2016年,台積電獨家以整合扇出型晶圓級封裝技術(Integrated Fan-out Wafer Level Packaging;InFoWLP)取得 iPhone7處理器A10的生產訂單後,更一舉奠定未來功能強大且高接腳數的手機晶片或應用處理器,勢將轉向採用FOWLP封裝技術的趨勢。

台積電的InFo在分類上不僅屬於WLCSP的Fan-out技術,同時也屬於多晶片封裝的SiP技術。其實,對於系統整合而言,2016年可以說是具有里程碑意義的一年,尤以台積電扮演關鍵性角色。

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格羅方德已推出InFO封裝技術。來源:GlobalFoundries

在這一年,除了領先全球大量生產整合型扇出層疊封裝(InFO PoP)技術外,台積電還有許多值得一書的成果,包括:成功完成第二代整合型扇出層疊封裝(InFO PoP Gen-2)先進封裝技術的驗證以支援行動應用產品,以及整合型扇出晶圓級細間距扇出(InFO Wafer-level Fine-pitch Fan-out)技術的驗證,以支援晶粒分割 (die-partition) 高速應用,此細間距扇出技術並預計於今年(2017)年進入量產。

蘋果領頭  帶動業界跟進採用

扇出型封裝前景看好,研究機構Yole Developpement分析指出,2016年是扇出封裝發展史上的重要轉折點,原因在於蘋果處理器的採用能為扇出封裝創造出龐大的需求量,奠定規模經濟的基礎;其次,蘋果發揮領頭羊作用,吸引其他晶片業者加入扇出封裝的使用行列。

另外,還有非常重要的一點是,在台積電的技術奧援下,扇出封裝技術可支援的I/O數量大增。整體而言,過去扇出型封裝市場主要產品集中在封裝大小在8x8mm以下產品,未來在終端產品對低成本和高整合度的需求下,大於12x12mm封裝大小的產品也將持續導入扇出型封裝技術。

也就是說,未來扇出型封裝除了能用於基頻處理器、電源管理、射頻收發器等接腳數較少的晶片外,透過高密度扇出封裝技術的進展,如智慧型手機應用處理器晶片、繪圖晶片、記憶體、現場可程式化閘陣列裝置(FPGA)等具備大量I/O接腳的晶片也能採用扇出型封裝,這也意味著扇出型封裝將持續侵蝕原本使用覆晶封裝的晶片市場,及與覆晶封裝技術搭配使用的載板市場,扇出型封裝技術的市場版圖得以進一步擴展。

具成本及效能優勢  市場前景佳

工研院IEK ITIS計畫產業分析師楊啟鑫指出,扇出型封裝技術具有許多成本及效能優勢,例如,手機應用處理器傳統採用覆晶堆疊封裝技術(Flip Chip Package on package)進行邏輯晶片及記憶體晶片堆疊,然而如果改用扇出型封裝技術,則由於其底層邏輯晶片不需載板,因此整體封裝便可節省20%以上厚度,符合智慧型手機薄型化的優點。此外,由於不需載板,因此在製程良率佳的前提下便可提供節省成本的好處。

種種優點帶出扇出型封裝技術的市場潛力,根據Yole研究,2016∼2022年期間,先進封裝產業總體營收的複合年成長率(CAGR)預計可達7%,超過整體封裝產業(3∼4%)、半導體產業(4∼5%)、PCB產業(2∼3%)、全球電子產業(3∼4%)以及全球GDP(2∼3%)。

其中尤以扇出型是成長最快速的先進封裝平台,成長率達到36%,其次則是2.5D/3D TSV平台,成長率速度為28%。至2022年,扇出型封裝的市場規模預計將超過30億美元,而2.5D/3D TSV封裝的市場規模至2021年預計將達到10億美元。

晶圓代工拔得頭籌  封裝廠急起直追

有鑑於扇出封裝技術商機可期,許多業者無不積極切入,三星的動向尤受矚目,畢竟該公司意欲搶回蘋果訂單的企圖昭然若揭,然而,不同於台積電的InFoWLP,三星極力研發的扇出封裝技術名為「扇出型面板級封裝 (Fan-out Panel Level Package;FoPLP)」,由於其良率尚無法達到量產規模,因此預計此技術約需再經過一至兩年才能派上用場。

扇出型面板級封裝被視為下世代高性價比、高整合度IC封裝技術。根據工研院影像顯示科技中心的說明,扇出型面板級封裝的高精細度多層重分布導線製程技術,可應用於高密度接腳的晶片封裝應用,此技術無基板之多層膜整合技術,可大幅減少封裝模組的厚度。應用範圍包括:IC封裝(單晶片模組,多晶片模組與多晶片堆疊模組),以及發光二極體顯示模組等。

除了台積電和三星之外,新加坡星科金朋(STATS ChipPAC) 在被江蘇長電科技收購後,也進一步投入扇出型封裝技術的開發;日月光集團則獲得Deca Technologies的M系列扇出型晶圓級封裝技術授權,日月光曾表示,由於客戶需求量大,2017年在扇出型封裝的資本支出規模會較大,目前扇出型封裝每月產能約1萬片至1.5萬片,預期到今年底扇出型封裝每月產能可望倍增。其他廠商,包括 Amkor、矽品科技及力成科技等也都已投入扇出型封裝技術。

值得一提的是,晶圓代工大廠格羅方德(GlobalFoundries)甫於日前宣布,採用高效能14奈米FinFET製程技術的FX-14特定應用積體電路(ASIC)整合設計系統,已通過2.5D封裝技術解決方案的矽功能驗證。

這也讓該公司成為繼台積電後,全球第二家擁有扇出型封裝(InFO)技術的晶圓代工業者。此2.5D ASIC解決方案包含一個縫合載板仲介層,用以克服微影技術的限制,以及一個Rambus的多通道HBM2 PHY,每秒可處理2Tbps。

格羅方德產品開發副總Kevin O’Buckley表示,隨著近年來互連與封裝技術出現大幅進展,晶圓製程與封裝技術間的界線已趨模糊,將 2.5D封裝技術整合至ASIC設計中,能帶來突破性的效能提升,得以為新一代有線通訊、5G無線聯網、雲端及資料中心伺服器、機器學習及深度神經網路、汽車、太空和國防等應用,提供獨特的解決方案。

此外,2017年初的兩樁封裝產業購併案再次凸顯扇出封裝技術的熱門程度。其一是Veeco簽訂8.15億美元收購Ultratech的協議。Ultratech是扇出型封裝微影設備的市場領導者,Veeco此次交易將有助鞏固其在先進封裝市場的地位,並豐富微影機台的產品組合。

其二是Amkor Technology將收購Nanium。歐洲公司Nanium在內嵌式晶圓級球柵陣列(eWLB)生產中累積近10年的晶圓級封裝經驗,收購Nanium將有助Amkor進一步完善其在扇出型封裝方面的研發。

整體而言,隨著物聯網、VR/AR、智慧型手機、智慧穿戴設備等熱門產品的成長普及,高階先進封裝技術Fan-out WLP的需求勢將水漲船高,而隨著各大業者的研發能量化為商業價值,市場將快速成長。