封測產業的2018：缺貨將持續
來源：本文由瞿煉均翻譯自semiengineering，謝謝。
即便是在這片風雲變幻的天下，IC封裝市場今年仍然被預測到一個穩定的增長趨勢。
封測代工業(OSAT)，提供第三方的封裝和測試服務，該行業已經整合了一段時間。在銷售額提升的同時，封測代工企業的數量卻在減少。2017年末，例如，日月光（ASE），世界最大的封測代工廠，在收購矽品(SPIL，全球第四大封測廠)的道路上更進了一步。除此之外，安靠(Amkor)，江陰長電(JCET)和其它的一些封測廠都有進行收購的動作。
隨著2017年的完美收官，這對其餘的封測廠也同樣是一個好兆頭。IC封裝整體的展望和半導體行業的需求總是捆綁在一起，總體而言，根據VLSI Research的報告，2018年晶元行業預計達到2769億美元的規模，相比2017年增長7.8%。
這個增長將會比較溫和，至少未來幾個月是這樣。對晶元上升的需求導致了生產產能，各種各樣的封裝形式、引線框架和設備的不足。儘管如此，封測廠還是根據晶元量的預測高歌猛進地進行投入。
「我們對2018年的態度是既謹慎又樂觀，但總體看起來將會是穩定的一年，」星科金朋(STATS ChipPAC)全球產品技術市場副總裁Scott Sikorski說，「封測廠的營收趨向於和晶元的營收相關聯，特別是邏輯晶元，你將看到2018年保持高個位數增長的預測，當然，存儲器卻會是截然不同，和2017年非常相像，除此之外，封測廠將會有一個類似的2018年，也就是在這個高個位數的範圍內。」
根據法國里昂證券（CLSA）的分析師Sebastian Hou初步估計，在營收方面，相對2016年，2017年封測代工業預計增長10%到12%。然而，2018年封測代工市場預計會降溫至5%到7%的增長，Hou說。
圖1: 封測代工業增長率。來源: 法國里昂證券
與過去幾年一樣，2018年，封測廠將會繼續面臨一些挑戰。首先，他們必須跟上不斷前進的行業需求的步伐，第二，他們也必須持續地開發新的先進的產品，由於成本原因，許多晶元製造商正在從傳統的，前沿的系統級晶元（system-on-a-chip, SoC）設計，尋找一種可替代方案。獲得益處的一種方法是將多個元器件放在同一個先進的封裝中，它可以以更低的成本提供一個SoC的功能。
但是，開發這些先進的封裝類型，以及前沿的SoC，在每個節點上都變得更具挑戰性，這需要巨額投資，且投資回報率有時並不明朗。「當系統變得更普遍時，封裝的要求，SoC的要求和系統級封裝(system-in-packaging)的要求需要革新。」日月光的COO Tien Wu在最近的一次演講中說。
變化的世界
根據Yole Développement 的預測，IC封裝的市場，其代表了所有的封裝類型，2016年達到546億美元，從2016年到2022年，保持每年3.5%的增長率。
先進封裝則要比整體的市場發展的快。「如果僅僅關注先進封裝的話，2016年達到225億美元的生意，從2016年到2022年，保持每年7%的增長率。」Yole的分析師Jér?me Azémar說。
從最近的預測來看，KeyBanc Capital Markets預測相比2016年，2017年封測廠的投資降低了2%，達到26.98億美元，2018年，封測廠的投資預計會達到27.42億美元，比前一年高4%。
「資本支出從2017到2018年會比較穩定，」 TEL的子公司，TEL NEXX的戰略商業開發總監Cristina Chu說，「先進的封裝，比如2.5D，扇出(fan-out)和SiP將會驅動封裝設備的市場。」
其他人也拍手贊成。「在這個環節，我們看到對先進封裝的技術和產能的持續的投資，例如扇出晶圓級封裝(fan-out wafer-level-packaging)和2.5D，」 KLA-Tencor的高級市場總監Stephen Hiebert說，「此外，我們看到中國正在為配合中國前端晶圓廠項目進行強有力的先進封裝產能的投資。」
更有甚者，IC封裝不再是被單一市場所驅動。「不再是像過去幾年圍著移動市場一顆獨苗苗，我們期待封裝設備的生意也會被更多的細分所驅動——5G，人工智慧，物聯網(loT)，車載以及虛擬現實/增強現實(VR/AR)。」 Hiebert說。
還有其它的驅動。「車載行業正熱衷於電動汽車，且正在努力開發無人駕駛技術。在機器學習（machine learning）中，這裡有許多封裝的挑戰，趨於更多的輸入/輸出和密集運算，」星科金鵬的Sikorski說，「最大的意外是，其具有最大的盈利結果，竟然是加密貨幣的採礦，這已經在晶圓廠和封裝世界一石激起千層浪，一發不可收拾。」
比特幣和其它加密貨幣是可交易的，而且交易是記錄在一個叫做區塊鏈的安全賬本上，然後，一個叫做挖礦機的第三方硬體，用成堆貨架排列的專業計算機來運行一種散列的演算法，以此來核實處理交易。每一台系統由100到250個專用的晶元(ASIC)組成。
除了市場的驅動之外，封裝的客戶也需要密切關注封測界的一舉一動。以前，有三種實體會提供封裝和測試服務——封測代工廠，晶圓廠，以及一站式元器件製造商(integrated device manufacturers， IDM)。
封測代工廠是商業的供應商，根據最新統計，市場上有超過100家不同的封測代工廠，但只有少數能夠做大，絕大部分是中小型的企業。
圖2: 2017年封測代工廠營收排名（單位：百萬美元）。來源：TrendForce
一般來說，IDM只為他們自己的IC開發封裝,一些晶圓廠，比如英特爾，三星和台積電，為客戶提供一站式晶元封裝和測試服務，更多的晶圓廠並不為客戶開發晶元封裝，取而代之的是，他們甩手把封裝的要求丟給封測廠。
無論如何，封裝是一項艱難的業務。顧客希望封測廠每年把封裝價格降低2%到5%。與此同時，封測廠正在應對研發成本和資本支出的大幅增加。曾經，封裝廠可能投資幾百萬美元建立生產線，而如今，卻要為先進的封裝花費1億到2億美元來建立一條新的生產線，因此，封測廠必須購買一系列新的且昂貴的設備。
封測廠正在投資興建新工廠，但一般來說，他們沒有雄厚的資金來投資於每一項技術，因為他們的利潤並不高。因此，封測廠必須謹慎地投入研發資金，以確保回報。「向更新的高端封裝解決方案的轉變，推動了增加的資本支出，這可能會成為封裝廠的挑戰。」 Lam Research的先進封裝副總裁Choon Lee說。
相比之下，英特爾、三星和台積電等財力雄厚的晶圓廠，正將就算不是以十億計，那也要以數百萬計的美元投入到IC封裝中。事實上，晶圓廠正在開發和提供先進的封裝，這一舉動使他們與封測廠也展開了競爭。
總而言之，只有少數幾家封測廠能夠在先進封裝上進行必要的投資。事實上，許多封測廠都在掙扎著能否跟上所有封裝類型所要求的投資。
這正成為供應鏈中令人擔憂的一個原因。「下游的半導體供應商，如晶圓基板供應商，甚至是封裝廠，並沒有真正定期地在繼續進行投資。由於持續的高需求，這些較弱的環節現在可能需要一些支持和投資來進行升級和擴張，」UMC美國銷售副總裁Walter Ng說，「然而，儘管在許多情況下，需求持續超出供應，但價格壓力仍在繼續。在不久的將來，將會出現一種新的平衡，即需要進行投資，從而導致更高的價格。」
除了封測廠，Walter Ng還提到了矽片的供應商。在多年的供應過剩之後，矽片供應商看到了強勁的需求。然而，供應商並沒有投資新的工廠，其中的許多家反而已經提高了價格。
為了解決IC封裝供應鏈中的問題，許多大型的封測廠正在合併，以整合他們的研發和資源。以下是最近幾次大的收購:
2015年，國內最大的封測廠，江陰長電收購了新加坡的星科金朋
2016年，安靠提高了其在日本最大的封測廠J-devices的股權，從65.7%到100%。2017年，安靠收購了專精於扇出封裝的公司Nanium。
2017年後期，日月光和矽品這兩家公司的合併案獲得了所有的反壟斷批准。這筆交易將於2018年完成。
儘管進行了整合，但市場上仍有數十家中小型封裝廠，他們還有生存的空間嗎?
「是的，但當然，業界是不斷變化和挑戰的。」隨著客戶基本面的鞏固，如何瓜分外包市場這塊蛋糕將變得更有挑戰性，馬來西亞封測廠Unisem北美地區副總裁Gil Chiu說，「有一些中大型的封測廠能夠在一些細分市場上為客戶提供更好的服務，並不是每一家都能做成巨型封測廠。」
快進到先進封裝
除了封測廠本身之外，IC產品本身也有些令人困惑。客戶可以在多種封裝形式之間進行選擇，包括2.5D/3D、BGA、扇入、扇出、引線框架、SiP和其他許多形式。
封裝市場的一種分類方式是通過導通類型，其包括以下技術:、鍵合（wire bond）、倒裝(flip-chip)、晶圓級封裝(WLP)和穿硅通道(TSV)。
根據TechSearch International的研究，目前所有的IC產品，其中有75%到80%仍然使用較老的，被稱為鍵合的導通方式。
該技術開發於上世紀50年代，類似於一種高科技的縫紉機，它可以用細微的金線把一個晶元縫到另一個晶元或基板上。鍵合主要應用於低成本的傳統封裝、中端產品和存儲器晶元堆疊。
分析人士稱，鍵合封裝是一項龐大的業務，每年的營收從130億美元到150億美元不等。但由於鍵合封裝是一個成熟的市場，預計2014年至2019年的增長率僅為2.4%。
這就是為什麼封測廠正蜂擁進入快速增長的先進封裝市場。在先進的封裝中，最主要的想法是將多個晶元集成到同一個封裝中，以實現一個特定的功能。在同一個封裝中集成多個晶元，被歸類於稱作多晶元集成或多樣化集成。
為此，就有了諸多的封裝選項。一般來說，沒有任何一種單一的封裝類型可以包打天下的。與以前一樣，客戶基於幾個因素來選擇IC封裝類型，如應用、輸入/輸出量、尺寸以及成本等。
「我們認為不同的終端用戶應用會採用不同的先進封裝技術，」 KLA-Tencor的Hiebert說，「單獨一個平台不太可能在諸多的維度上超越所有半導體增長市場。」
與此同時，在高端領域，封測廠提供了2.5D/3D技術，這是一種可以增加元器件帶寬的晶元堆疊技術。在2.5D/3D中，穿硅通道會穿過一顆晶元或一顆單獨的插入器晶元。根據Yole的數據，從2016年到2022年，2.5 D/3D TSV市場預計將增長28%。
圖3: 具有穿硅通道的2.5D 和高帶寬的存儲器 來源: 三星
「(2.5D/3D)似乎正在起飛，」Global Foundries的首席技術官Gary Patton說, 「如果看一下我們在過去的一年裡14nm專用晶元設計上取得的成功，其中大約40%的設計都不僅僅是一個晶圓，它們包括了一些先進的封裝，比如2.5 D和3D。」
然而，2.5D/3D技術相對昂貴，限制了高端應用的市場。「2.5D將繼續在高性能計算和車載領域的緩慢增長，」Amkor的研發和開發副總裁Ron Huemoeller說，「圖形是主要的驅動因素，但多邏輯配置也需要2.5D的封裝結構來解決人工智慧市場的問題。」
一些其他公司正在開發2.5D/3D的替代產品。例如，英特爾正在推廣一種名為「嵌入式多晶元互聯橋接」(EMIB)的硅橋接技術。在EMIB中，晶元是並排排列的，並用一小塊硅進行連接。
SiP則是另一種選擇。一般來說，SiP結合了一系列的多個晶元和被動元器件，用以生成一個特定的功能。
每種技術都有自己的位置。「許多封測廠現在都在投資SiP，」TEL NEXX的Chu說, 「EMIB肯定會在2018年上市。越來越多的2.5 D將在今年開發出來，不過它將會在像FPGA這樣的小眾應用中出現。」
狂熱的扇出
晶圓級封裝，也許是封裝市場上最火的流行詞，它需要在晶圓上封裝IC。WLP包括兩種封裝類型——晶元級封裝(CSP)和扇出。
圖4: 扇入，倒裝和扇出的對比 來源：Yole Développement
CSP是一種扇入技術，其中I/O位於焊接球(solder ball)之上。「扇入因為其較小的尺寸而成為越發受歡迎的封裝，」星科金朋的Sikorski說，「它紮根於智能手機市場，且仍然是主要的驅動因素。但在物聯網應用和可穿戴設備領域，你仍然將會看到扇入數量的增加。」
儘管如此，扇出還是在市場上獲得了最多的反響。在扇出中，連接器在產品中被扇出，以便獲得更多的I/O。扇出沒有插入器，這使它比2.5D更便宜。「驅動扇出的是移動應用，」ASE的高級工程總監John Hunt在最近的一次演講中說。
根據Yole的數據，到2021年，扇出市場預計將從2014年的2.44億美元增長至25億美元。「我們對2018年的扇出市場的估計是14億美元，」Yole的Azémar說, 「這是一個很高的數字，但我們的判斷是有依據的，因為我們認為蘋果不會是唯一一個將其手機處理器封裝於扇出的玩家。」
圖5: eWLB 封裝.來源: 星科金朋
2016年對於扇出來說是一個豐收年。首先，蘋果在iPhone 7中採用了台積電的高密度扇出封裝。在老款的智能手機中，蘋果則採用了舊的 (PoP)封裝技術。
台積電的扇出技術被稱為InFo, 另一種類型的扇出技術被稱為嵌入式晶元級的球狀陣列(eWLB)。2016年，兩家主要的eWLB封裝供應商——星科金朋和Nanium——由於巨大的需求其產品被銷售一空。
不過，在2017年，扇出走向了兩個不同的方向。在最新的iphone中，蘋果繼續使用台積電的扇出技術，從而推動了台積電的銷售。但去年，eWLB都賣光了，這促使客戶尋找其他解決方案，導致eWLB市場出現停頓。
「那時，人們變得緊張，停止了對它的期待，因為沒有供應的保證，轉而把目光投向了其他的晶圓級技術，或是倒裝晶元。」星科金朋的Sikorski說。
不過最近，幸虧發生了幾件事，eWLB市場已經反彈。首先，星科金朋和日月光已經擴展了他們的eWLB產能。接著，Amkor收購了Nanium，這一舉動為扇出提供了一些支持。
Sikorski說:「我們看到eWLB的引擎將再次發動，各種設計在2017年下半年升溫， 2018年將會表明其是穩固增長的一年。」
除了eWLB之外，封測廠也正在開發其他類型的扇出封裝，比如高密度扇出，扇出PoP和扇出SiP。
一些公司還在開發和提出混合封裝或基於基板的解決方案。Amkor的Huemoeller說:「在基板上的扇出將會是這個行業的新熱點，它將會以不同的形式引入，從低密度到高密度。」
如果這還不夠的話，日月光，Nepes和其他一些企業將在2018年進入面板級封裝(PLP)的市場。目前的扇出封裝將晶元封裝到圓形的晶圓上，相比之下，PLP扇出則將晶元封裝到大的方形面板上。
圖6: 300mm晶圓和面板上晶元數量的對比 來源：星科金朋
「每個人都對成本感興趣，我們如何降低成本?我們這樣做的方式是從一個晶圓的工藝轉變到到一個面板的工藝，並且，PLP扇出的成本降低了20%」，日月光的Hunt說。
顯然，客戶將有許多扇出的選項，但目前尚不清楚哪種技術最終會在市場上高飛。
缺貨仍會繼續
「不是所有的活動都圍繞著扇出，此外，200毫米和300毫米元器件的倒裝和WLP的需求也在增長。」Lam的Choon說。
去年，事實上，全球200毫米晶圓的凸塊(bumping)產能不足。晶圓凸塊工藝，使得錫球(solder ball)或是銅柱(copper pillar)形成於晶圓上，是晶圓與晶元之間的電子連接。
200毫米凸塊產能的不足影響了智能手機市場的晶元級封裝和前端射頻模組的供應，其他封裝類型也有很高的需求或供應緊張。
缺貨肯定會延續到2018年，問題是會延續多久？
「我們預計，供應鏈將在產能瓶頸的地方進行增量擴產，同時以設備交期來管理總體產能的擴張，」Unisem的Chiu說，「我們預計，在2018年上半年，各自特定的領域都有可能出現缺貨。」
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