台积电十年磨一剑，"至尊殿堂"技术要让三星再输

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众人一讲到半导体高端技术，第一个联想到的是 ASML 的光刻机，但真正让台积电狠甩三星电子（Samsung Electronics）几条街，大啖苹果（Apple）订单的关键，却是来自于半导体界最末端的“传统产业”：封装技术，台积电进入该领域晚于三星，但从此由前段制程吃到后段工艺，这种一条龙的技术与服务宛若“神奇大补丸”，从此苹果离不开它！


更让竞争对手竖起寒毛的是，台积电在今年首度揭露一种全新的封装架构，同时也赋予一个独特名字：“SoIC”（system-on-integrated-chips）。然该技术细节一公布，业界便议论纷纷指出，“这不就十分接近 3D IC 架构吗？”，业内人士指出，台积电从来都是“事做成了才会说”，这次敢公开讲这个技术，一定是有十足把握才会提。

                               
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（来源：台积电）


3D IC 是半导体“至尊”殿堂，这一把剑台积电磨了超过十年

                               
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3D IC 技术已经被半导体业界讨论多年，但难度十分高，是透过高度的堆叠来整合不同性质的晶圆，有别于 2.5Ｄ封装是不同的 Die(晶粒) 在基板上做平行排列，其技术层次是半导体界的“至尊”殿堂。


而台积电这次提出的接近 3D IC 架构的“SoIC”技术绝非是横空出世，甚至可说是“历经磨难”才找到的“桃花源”，这一把剑磨了可不止十年。


SoIC 是一种创新的多晶片堆叠技术，主要是针对 10nm 以下的工艺技术进行晶圆级接合，特色是 SoIC 技术没有突起的键合结构，是一种直接 Wafer-on-wafer 的接合技术，可以把很多不同性质的芯片整合在一起，而当中最关键之处，是在于接合的材料。

                               
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（来源：台积电）


台积电掌舵 Integrated Interconnect & Packaging 部门的副总余振华提到 SoIC 技术时透露，Wafer-on-wafer 接合的材料是个“billion dollars”的秘密!


同时，近期台积电首度揭露 SoIC 封装技术的最新进展时间表，将在从 2020 年起为台积电贡献营收，并将在 2021 年创造显著收入贡献。


回顾过往，台积电的封装技术之路是几经波折，先是提出 2.5D 版的 CoWos 技术，再提出横扫市场且独吃苹果的 InFO 技术，下一个要制霸的，是逼近 3D IC 层次的 SoIC 技术。


10 年前超低调成立封装部门，就怕合作伙伴抱怨“抢饭碗”

                               
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台积电在 2008 年底成立导线与封装技术整合部门 ( Integrated Interconnect and Package Development Division, IIPD )，要进军封装领域和合作伙伴“抢饭碗”的消息不胫而走，一度看在封测业者的眼里是很不是滋味。


封测产业被半导体界视为是高端技术领域中的“传统产业”，在专业分工缜密的行业特性下，封测业的运营型态一直是非常成熟传统、低毛利率，与台积电擅长的技术密集、资本密集、高毛利率是大相径庭。


然而，台积电为什么要进入封装领域？因为早在 10 年前，公司就看出，随着工艺不断往下微缩，后段封装技术会跟不上前段制程，如此发展会拖累台积电开发高端技术的速度，而摩尔定律撞墙的预言也会成真，唯一解决之道就是从前段到后段一条龙做到底，自己打通任督二脉。


当然，另一个让台积电如鲠在喉的理由，是主要竞争对手三星早已采用从前段做到后段的模式，因此，跨入封测产业成为台积电势在必行的策略，但初期又必须非常小心翼翼，深怕合作伙伴过度反弹。


为了“咬一口苹果”，与三星上演“顶尖对决”戏码

                               
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台积电在 2008 年成立导线与封装技术整合部门后的第一个任务，是将超低介电层（Extreme Low-K Dielectric, ELK）导入 45/40 纳米工艺技术，接着突破导线与封装相关技术瓶颈，让第一批 GPU 和 FPGA 客户的产品顺利量产。


当台积电进入封装领域，又全力押宝手机应用，与劲敌三星电子之间的“顶尖对决”一役火热上演，在争夺苹果处理器订单上达到高潮。

                               
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（来源：台积电）


苹果第一颗 iPhone 处理器是 2010 年问世的 A4 芯片，之后的 A5 、 A6 、 A7 芯片都是由三星打造，然三星在智能手机领域的强势拓展，对苹果 iPhone 的威胁越来越大，演变成双方互告专利侵权是吵得面红耳赤。


因此，2011 年就传出苹果秘密与台积电接触，讨论代工处理器一事，此举引发三星十分激烈的反击，开始私下四处找分析师放话表示，台积电的技术还不够成熟、相关专利都在三星手上，只要台积电敢做一定告到底等。


当时就盛传苹果的 A6 处理器会从三星转到台积电，但最后仍是由三星代工，韩国媒体还形容“因为台积电做不出 A6 芯片，让苹果只能接受三星大涨价格且继续合作”。


但事实上，苹果与台积电这对“新朋友”从接触认识到真正合作，花了很长的时间沟通与磨合。


台积电、苹果磨合三年，A8 处理器横空出世

                               
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为了争取苹果订单，台积电 2011 年底就组织一批将近百人的研发团队长期驻扎美国苹果总部，但是一直到 2014 年，台积电以 20 纳米为苹果打造 A8 处理器才真正量产问世，中间磨合了三年，传出有两大原因。


一是要先解决专利问题，三星因为握有许多逻辑、存储等相关专利，是绑住苹果订单的一大诱因，且为求谨慎，台积电也花了更长的时间通过苹果的的认证，双方确保所有矽智财都不会有侵权的疑虑，苹果才正式转单给台积电。


第二个原因，传出就是因为台积电后段封装制程不够稳定，成了争取苹果订单最大的绊脚石，逼得台积电在 2011 年底，首次将封装技术 COWOS（Chip On Wafer On Substrate）这个秘密武器在众人面前揭露，从此，台积电在封装领域上的一举一动，成了业界关注的焦点，不单是竞争对手三星紧紧盯着，所有封测业者都也张大眼睛瞧着。

                               
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（来源：台积电）


之后剧本发展更是大转弯，后段的封装技术不足，原本是台积电争取苹果 A6 处理器输给三星的原因，但自从在 A8 处理器订单大获全胜后，台积电的封测技术反而成为击败三星、独吃苹果订单的秘技，对照台积电超过 30 年的发展史，一个 2008 年才成立的年轻部门，却为台积电打赢极为漂亮的一仗！


台积电的封装分为两大技术，一是专注于高阶客户市场的整合型扇出封装 CoWoS 封装技术，二是经济型InFO（Integrated Fan-out）技术。


CoWoS 封装技术最先搬上台面，虽然市场好评不断，但因为价格较高，只能锁定部分高端用户，像是 GPU 、 FPGA 等应用，台积电马上修正策略，主打经济版的 InFO 封装技术，遂成为手机客户采用的主力，也是独吃苹果订单的关键。


InFO 成为独享苹果订单关键，逼得三星投入 FOWLP 技术应战

                               
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InFO 封装技术其实就是 FOWLP（Fan-Out Wafer level Package），该技术是 2008 年由德国英飞凌（Infineon）提出的扇出型晶圆级封装，特点是不需要 IC 基板，因此可以降低芯片的厚度，但因为良率无法完全克服等问题，当时的 FOWLP 技术被提出后，并没有立刻成为业界主流。


台积电以 FOWLP 技术为基础加以改良后，在 2015 年提出整合型扇出封装（Integrated Fan-out, InFO）技术，将 16 纳米的逻辑 SoC 芯片和 DRAM 芯片做整合，特别适合低功耗、强调散热、体积小、高频宽的应用，像是智能手机、平板电脑和物联网芯片，并于 2016 年开始实现量产，再次独享苹果，气走三星。


屡屡吃败战的三星也下定决心要进军FOWLP 封装技术的开发，并且投入比 FOWLP 技术层次更高的 FoPLP 扇出型面板级封装 ( Fan-out Panel Level Package )，可以看出封装领域已经成为半导体大厂一较高下的技术殿堂。


但行业内人士也分析，不单是三星，许多封装业者也对于投入 FoPLP 技术跃跃欲试，像是封测大厂日月光等。然而，如同 FOWLP 技术在发展过程中遇到众多挑战，眼前的 FOPLP 技术面临的问题更多，如异质材料与非对称架构所导致的芯片位移 ( die shift )、翘曲 ( warpage )、热膨胀系数 ( CTE ) 管理等问题。


同时，为实现更高密度重布线层 ( RDL)、更精细的线宽，需要在材料和设备上有所创新，已有半导体业者将面板生产上的经验与设备运用于 FOPLP 制程上，解决部份问题，但整体而言，还需要寻求更佳的解决方案，因此，FOPLP 技术还有一段摸索期。


至于台积电在封装领域的下一步，在今年首度对外揭露方向，提出 SoIC 封装技术，业界认为，SoIC 封装几乎是 3D IC 技术层次，台积电敢对外做这样的表述，绝对是投入技术开发已久，已经获得技术上的进展，更透露其在封装领域要持续称霸的雄心！


摩尔定律是否走到尽头引发许多讨论，从台积电、三星的策略可以得知，半导体前段工艺再微缩下去有限，解除后段封装技术的瓶颈成为延续该定律的解决之道。


这也隐隐透露着，长达数十年专业分工的体系，未来可能再度走向垂直整合。就像芯片设计、晶圆代工的分工体系已经运行数十年，但结合两者的 IDM（integrated design and manufacture）模式又有复辟迹象，显示行业是合久必分、分久必合，不断寻求改变来克服挑战、“变形”来顺应环境的改变，要让半导体产业再战下一个十年！

小丫

feixueshanhu

厉害了，专业技术在上。。。

cqanlx

学习了

liliwowo