“封測廠已經(jīng)跟不上晶圓代工的腳步了,摩爾定律都開始告急了,我們與其在里面干著急,不如做到外面去”,2011年,臺積電的余振華面對媒體如是說。
余振華是1994年就加入臺積電的元老級人物,是蔣尚義曾經(jīng)的下屬,也是臺積電后摩爾定律時代的功臣。
01 臺積電要做先進(jìn)封裝
2011年,重出江湖的張忠謀在第三季度法說會上宣布,臺積電將會做先進(jìn)封裝,為此張忠謀請回了已經(jīng)退休的蔣尚義重新掌舵研發(fā),而具體任務(wù)落在了余振華的肩上。
晶圓代工老大要做封裝的消息不脛而走,整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都陷入了喧囂的討論中,其中日月光被推到了風(fēng)口浪尖上,因為它不僅是全球第一大封測廠,還是臺積電的供應(yīng)商。
在臺積電的法說會剛結(jié)束的第三天,恰好是日月光的法說會,日月光財務(wù)長董宏思一再被逼問如何看待臺積電進(jìn)軍封裝領(lǐng)域,董宏思先是無奈的確認(rèn)了事情屬實,然后再話語一轉(zhuǎn),表示這種技術(shù)只會被用在極少數(shù)的特定高端產(chǎn)品中,影響有限。
這話觸怒了負(fù)責(zé)先進(jìn)封裝研發(fā)的余振華,后者立刻反擊道:“以后所有高階產(chǎn)品都會用,市場很大”,這話如今看來似乎是共識,但在當(dāng)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。
后來余振華又在SEMICON臺灣地區(qū)的演講中,大談臺積電的先進(jìn)封裝,一位封測界的從業(yè)人員對余振華的演講內(nèi)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?!?/p>
矽品的研發(fā)副總裁馬光華甚至在演講當(dāng)場發(fā)問余振華:“你這樣說,是不是我們?nèi)繘]有工作了?”現(xiàn)場氣氛瞬間凍結(jié)到了冰點。
不論外界如何非議,臺積電要做先進(jìn)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(jīng)在最新版本設(shè)計指引中,將3D IC封裝和硅中介層給客戶選用。只待未來技術(shù)成熟,實現(xiàn)全面替換。為了發(fā)展CoWoS技術(shù),張忠謀特意撥給了余振華400名研發(fā)工程師。
有時候愿望是美好的,現(xiàn)實是很殘酷的,先進(jìn)封裝是座大山,攻克技術(shù)只是撼動它的第一步,有客戶愿意用才算成功。
02 拿下先進(jìn)封裝的天王山
在余振華兩年多的努力之下,臺積電終于開發(fā)出了CoWoS技術(shù),但落實到產(chǎn)品上,只有一家企業(yè)愿意下單,這個企業(yè)就是Xilinx,其余的客戶都覺得太貴。Xilinx的高端FPGA芯片單價高,追求性能,所以愿意采用這項技術(shù),而其它客戶需要的是性價比產(chǎn)品,尤其是潛在客戶蘋果。
當(dāng)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(shù)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(jìn)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(yù)期的5倍,這不得不讓張忠謀感到惆悵。突然一天,蔣尚義沖進(jìn)了張忠謀的辦公室,告訴張忠謀余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,是因為余振華思考出了一種精簡的設(shè)計,能夠?qū)oWoS結(jié)構(gòu)盡量簡化,并且價格壓低到原來的五分之一,這種技術(shù)就是后來的InFO技術(shù)。
自此,臺積電的先進(jìn)封裝分成了兩部分,更為經(jīng)濟(jì)的InFO封裝技術(shù),成為手機客戶采用的首選,這項封裝技術(shù)也成為臺積電吃下蘋果訂單的關(guān)鍵之一。而專注于高階客戶市場的CoWoS封裝技術(shù)也因為人工智能的發(fā)展,迎來屬于自己的黎明。
2017年,打敗世界棋王的高科技產(chǎn)品AlphaGo,其采用的人工智能芯片TPU 2.0,就是臺積電的CoWoS封裝技術(shù);后來,英特爾與Facebook要挑戰(zhàn)英偉達(dá)在深度學(xué)習(xí)上的壟斷地位,合作推出的Nervana類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器,同樣采用的是CoWoS封裝。
不知不覺中,CoWoS封裝似乎已成為人工智能的標(biāo)配。
03 后摩爾定律時代
時間來到了2020年,臺積電的5nm已實現(xiàn)量產(chǎn),十年前余振華談到的摩爾定律的極限正在成為現(xiàn)實。根據(jù)美國喬治城大學(xué)安全與新興技術(shù)中心(CSET)的調(diào)查,在過去3代芯片中,臺積電的晶粒平均價格都大幅下滑,但是到了5nm,單顆芯片的制造價格不降反升,比前一代多出了5美元,摩爾定律失效就在眼前。
而先進(jìn)封裝成為了提升芯片算力,降低芯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(shù),未來能讓每單位運算密度每2年成長2倍。
經(jīng)過將近十年的發(fā)展,臺積電已是高階高密度扇出型晶圓級封裝的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。為維持市場的龍頭地位,2020年臺積電宣布資本支出上看170億美元,其中有10%將用于先進(jìn)封裝。1月14日,臺積電公布2021年的資本支出達(dá)到250億~280億美元,其中約10%將被用于先進(jìn)封裝技術(shù)量產(chǎn)需求。
巨額資金投入之下,是一座座封測廠的撥地而起。根據(jù)媒體的報道,臺積電去年就開始在中國臺灣省苗栗縣,建立一個新的高端IC封裝和測試工廠,預(yù)計今年5月完工。此外,近期又有消息傳出,臺積電計劃在日本建立先進(jìn)的封測廠,預(yù)計在2025年落成。
04 封測廠風(fēng)起云涌
臺積電做封裝,有著得天獨厚的條件。如果臺積電做先進(jìn)封裝失敗了,只要再生產(chǎn)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(tǒng)的封裝已經(jīng)走到了拐點,先進(jìn)封裝代表未來。為了狙擊臺積電,也為了能夠在3D IC封裝占據(jù)一席之地,2012年開始,封測雙雄日月光與矽品紛紛布局先進(jìn)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(jìn)封裝的制造用地。日月光啟動回臺投資計劃,其投資7億美元,針對位于高雄楠梓加工區(qū)的第二期新廠進(jìn)行擴(kuò)建,重心鎖定高端手機芯片所需要的覆晶封裝、植晶凸塊、3D IC的先進(jìn)封測產(chǎn)能。
在技術(shù)上,日月光更看好芯片異質(zhì)整合趨勢所帶來的SiP(系統(tǒng)級風(fēng)裝)商機,并通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(xiàn)了2.3億美元,SiP所帶來的營收超出預(yù)期1.3億美元。
而矽品,則比較曲折。
2015年,日月光公開宣布,溢價34%收購矽品25%的股權(quán),收購金額高達(dá)350億新臺幣,這意味著兩大封測巨頭進(jìn)入整合期,隨后日月光輾轉(zhuǎn)用了一年多時間與矽品就全資收購達(dá)成共識。后來,進(jìn)入2020年,這項收購還在審核通過中,矽品將大陸的分公司賣給了某神秘大廠。
05 中芯國際與長電結(jié)盟
臺積電的封裝之路始于2008年底,當(dāng)時臺積電成立了導(dǎo)線與封裝技術(shù)整合部門,據(jù)說張忠謀最初選定的是梁孟松來研究先進(jìn)封裝,以求超越摩爾定律的極限。但與先進(jìn)制程相比,封裝是個冷板凳,短期內(nèi)也不會賺錢,所以梁孟松拂袖而去,這才有了蔣尚義和余振華的組合。
與梁孟松不同的是,蔣尚義認(rèn)為,當(dāng)集成電路做到極致的時候,就應(yīng)該反過來研究整個系統(tǒng),隨著未來先進(jìn)制程進(jìn)步越來越緩慢,封裝和電路板會成為制約整個系統(tǒng)的瓶頸,所以先進(jìn)封裝勢在必行。有了先進(jìn)封裝就可以讓整個系統(tǒng)的架構(gòu)發(fā)生徹底的改變,工程師不再追求把芯片越做越小,而是把大的芯片分成小的芯片再重新組合。
2017年,梁孟松入職中芯國際,在隨后的兩年多時間里,為中芯國際帶來了先進(jìn)制程,不過進(jìn)入2020年,國際形勢波譎云詭,先進(jìn)制程還能否繼續(xù)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(jìn)制程之外,從先進(jìn)封裝技術(shù)和小芯片領(lǐng)域的技術(shù)支持,也有助于幫助中芯國際走出困境。
事實上,中芯國際也看到了先進(jìn)封裝的前景。2016年,中芯國際通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(quán)轉(zhuǎn)為長電科技的股權(quán),中芯國際成為長電科技單一最大股東。后來,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(zhàn)略合作,從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看,可以讓國產(chǎn)芯盡量規(guī)避供應(yīng)鏈風(fēng)險,加速國產(chǎn)替代,在技術(shù)方面中芯國際和長電科技作為Foundry和OSAT的行業(yè)龍頭,可以更好的合作,讓先進(jìn)制造與先進(jìn)封測更加密切的相互合作,從而突破國產(chǎn)芯的技術(shù)極限。
匆匆忙忙,時間跨入了21世紀(jì)的第三個十年。在上一個十年里,臺積電引領(lǐng)全球半導(dǎo)體奔向摩爾定律的極限,但也意識到了摩爾定律的局限,所以十年磨一劍,從先進(jìn)封裝下手,欲再次挑戰(zhàn)算力的極限。
而封測廠也不甘示弱,在技術(shù)上不斷推陳出新,市場上不斷攻城略地,大陸企業(yè)同樣絲毫不敢懈怠下來,一場關(guān)于先進(jìn)封裝的競技賽已經(jīng)拉開帷幕,在這個賽場之上,誰將執(zhí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)下一個十年的牛耳,還需拭目以待。