物联网时代,SiP封装将大显神通

随着物联网时代来临,全球终端电子产品渐渐走向多功能整合及低功耗设计,因而使得可将多颗裸晶整合在单一封装中的SiP技术日益受到关注。除了既有的封测大厂积极扩大SiP制造产能外,晶圆代工业者与IC基板厂也竞相投入此一技术,以满足市场需求。  

  全球终端电子产品不断朝轻薄短小、多功能、低功耗的发展趋势下,能够整合上述特性的系统级封装技术逐渐受到重视。尤其,近几年在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后,SiP需求日益显现。

  未来随着物联网时代即将来临,多功能整合与低功耗将是重要趋势,SiP也将在封装技术中扮演重要角色。因此本文将从技术发展、市场应用及产业趋势等三个构面,对全球SiP发展进行深入剖析。

  全球SiP技术发展分析

  全球IC封装技术发展,最早是以打线封装技术为主,采用此方式连接晶片与基板上的连接点,使用导线以金线为主,因为金的延展、稳定与导电性能极佳。

而在打线技术后,逐步发展到凸块技术,利用薄膜、黄光、电镀等主要制程在基板的连接点上长出铅锡凸块、金凸块或铜凸块,目前常见的覆晶封装即为凸块技术的应用,将晶片与基板用凸块接合,不仅比打线技术稳固,又可缩短晶片与基板距离,降低电??阻,并节省空间。

  随着封装技术持续演进,加上终端电子产品朝向轻薄短小趋势,因此,对SiP需求亦逐渐提升。

  SiP生产线须由基板、晶片、模组、封装、测试、系统整合等生态系共同组成,才能够顺利发展。反之,若缺乏完整生态系,便难以推动SiP技术具体实现。

  由于SiP技术可将多种晶片封装于单一封装体内而自成系统,因此具有高整合性与微型化特色,适合应用于体积小、多功能、低功耗等特性的电子产品。

  以各种应用来看,若将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合,便能缩小封装体积以节省空间,并缩短元件间的连接线路而使电阻降低,提升电性效果,最终呈现微小封装体取代大片电路载板的优势,又仍可维持各别晶片原有功能。因此,高整合性与微型化特色,使SiP成为近年来封装技术发展趋势。

  此外,因SiP是将相关电路以封装体完整包覆,因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗应力能力,可提高产品整体可靠性,对产品寿命亦能提升。

  SiP搭配模组设计朝多元发展

  相较于SoC来说,SiP毋须进行新型态晶片设计与验证,而是将现有不同功能的晶片,以封装技术进行整合,达到小体积、多功能、低功耗等主要目标。因此,SiP整体开发时程较短,可节省时间成本。至于封装技术类型方面,依不同产品设计需求各有其对应技术。

  SiP所运用的基本技术类型相当广泛,涵盖2D、3D等领域,各种技术间亦可进行搭配,再结合模组化便可进行系统整合。大致上来说,现阶段SiP常用的基本封装技术,包括普遍应用于智慧型手机的Package on Package技术,将逻辑IC与记忆体IC进行封装体堆叠。将主动与被动元件内埋于基板的嵌入式技术,以及多晶片封装、多晶片模组、Stacking Die、PiP、TSV 2.5D IC、TSV 3D IC等,也属于SiP技术范畴。

  在封装技术类型外,模组设计能力亦扮演举足轻重角色;各种基本封装类型须结合不同模组设计,所有环节紧密配合,最后将整个系统进行整合,便能成为完整的SiP。因此,因应终端产品不同需求,所使用的封装技术与搭配的模组设计亦不尽相同,使SiP逐渐朝向多元发展。

  SiP存在许多进入门槛

  SiP封装虽然比重逐渐提升,并有多样类型,但至今仍存在跨入门槛。由于SiP是高度整合性技术,牵涉层面广,涵盖IC基板材料、封装堆叠技术、模组设计、系统整合及多晶片测试等领域,因此,须将分属不同领域的知识与技术整合,才能顺利推展。若无法缜密串连相关领域,将导致部分环节难以突破而无法顺遂。

  在封装技术门槛方面,晶片堆叠所遇到的散热问题是不易解决的技术瓶颈,而晶片与IC基板面积微小化与柔软度需求、晶片薄化时可能出现的龟裂与形变等问题,也是技术上的考验。

  在测试方面,由于SiP会增加多晶片测试与晶片功能检测需求,不但测试难度与晶片功能检测难度都将提升,整体测试与检测流程复杂度亦会增加。至于在模组方面,SiP模组常用的是表面黏着技术与模组设计。

  不过,SMT技术门槛较低,因此,比较高的门槛出现在模组设计能力方面,供应商要能够因应不同需求??而设计出符合模组。

  此外,高额的资本支出也是门槛之一。因为SiP需要多种不同领域作为发展基础,因此需要较为庞大的资本支出,不具资本规模之厂商所受到的限制较大,不容易在SiP技术领域进行全方位的发展。

  因此,整体而言,SiP至今仍存在多种进入门槛;包含封装技术、测??试、模组设计与系统整合等难度,以及高额资本支出等。使得SiP至目前为止,虽然比重逐渐提高,但并非多数厂商都能顺利进入此一领域,仍存在各种进入门槛待为克服。

  智慧型手机扮演SiP成长驱动主力

  与个人电脑时代相比,行动装置产品对SiP的需求较为普遍,主要是因为行动装置产品更为轻薄短小,对空间节省要求更高,在功能上也越来越多样。就以智慧型手机来说,上网功能已是基本配备,因此与无线网路相关的Wi-Fi模组便会使用到SiP技术进行整合。

  基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨识功能,其相关晶片封装亦需要SiP协助整合与缩小空间,使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市场;另外,压力触控也是智慧型手机新兴功能之一,内建的压力触控模组更是需要SiP技术的协助。

  除此之外,将应用处理器与记忆体进行整合的处理器模组,以及与感测相关的MEMS模组等,亦是SiP技术的应用范畴。

  因此,近年来智慧型手机为驱动SiP技术广泛应用的最主要终端产品。自2007年苹果发表第一代iPhone以来,智慧型手机逐渐成为一般民众生活必备的电子产品。

  一路发展至今,由于智慧型手机呈现高度成长,加上内建功能越来越多,以及产品朝向微型化趋势发展,因此,不但智慧型手机相关晶片需求成长,也刺激SiP技术需求大幅增加。使得智慧型手机成为近年来驱动SiP成长的主力产品。

  穿戴装置/物联网驱动SiP需求上扬

  全球终端电子产品的发展不断地朝向轻薄短小、多功能、低功耗等趋势迈进,对于空间节省、功能提升,以及功耗降低的要求越来越高,SiP的成长潜力也越来越大。2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后,SiP技术扩及应用到穿戴式产品。

  虽然,目前穿戴式产品的市场规模尚难与智慧型手机匹敌,但未来穿戴式产品预期仍将呈现成长,为SiP带来成长动能。

  此外,物联网即将逐渐普及之际,在万物联网的趋势下,必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、智慧交通、智慧医疗,以及智慧家庭等网路,多功能异质晶片整合预估将有庞大需求,低功耗也会是重要趋势。

    SiP预料仍将扮演重要的封装技术。虽然,全球物联网相关业者目前仍处于建立平台与制定规格阶段,尚未呈现具体商机。然而,若将来相关平台建立完成,相关规格与配套措施皆完备后,物联网亦成为SiP动能成长来源。

  整体来说,未来智慧型手机等行动装置仍可呈现微幅成长趋势,且内建功能将越趋丰富,对SiP需求将会有所提升;而穿戴装置产品朝向微小化发展,将更仰赖SiP技术协助;加上未来物联网时代,多功能异质整合与低功耗趋势,将以SiP技术作为重要解决方案。因此,SiP市场预期仍将持续成长。

  2014年全球SiP产值约为48.43亿美元,较2013年成长12.4%左右;2015年在智慧型手机仍持续成长,以及Apple Watch等穿戴式产品问世下,全球SiP产值估计达到55.33亿美元,较2014年成长14.3%。

  2016年,虽然智慧型手机可能逐步迈入成熟期阶段,难有大幅成长的表现,但SiP在应用越趋普及的趋势下,仍可呈现成长趋势,因此,预估2016年全球SiP产值仍将可较2015年成长17.4%,来到64.94亿美元。

全球主要封测大厂中,日月光早在2010年便购并电子代工服务厂--环电,以本身封装技术搭配环电在模组设计与系统整合实力,发展SiP技术。使得日月光在SiP技术领域维持领先地位,并能够陆续获得手机大厂苹果的订单,如Wi-Fi、处理器、指纹辨识、压力触控、MEMS等模组,为日月光带来后续成长动能。

  此外,日月光也与DRAM制造大厂华亚科策略联盟,共同发展SiP范畴的TSV 2.5D IC技术;由华亚科提供日月光矽中介层的矽晶圆生产制造,结合日月光在高阶封测的制程能力,扩大日月光现有封装产品线。

  不仅如此,日月光也与日本基板厂商TDK合作,成立子公司日月旸,生产积体电路内埋式基板,可将更多的感测器与射频元件等晶片整合在尺寸更小的基板上,让SiP电源耗能降低,体积更小,以因应行动装置、穿戴装置与物联网之需求。

  全球第二大封测厂Amkor则是将韩国厂区作为发展SiP的主要基地。除了2013年加码投资韩国,兴建先进厂房与全球研发中心之外;Amkor目前SiP技术主要应用于影像感测器与动作感测器等产品。

  全球第三大暨台湾第二大封测厂矽品,则是布局IC整合型SiP,以扇出型叠层封装技术为主,其主要应用于智慧型手机,目前与两岸部分手机晶片大厂合作中,2016年可望正式量产。

  由于矽品在模组设计与系统整合方面较为欠缺,因此近期积极寻求与EMS大厂鸿海策略联盟,以结合该公司在模组设计与系统整合能力,让SiP技术领域发展更趋完整。

  原本位居全球第四大封测厂的星科金朋也在韩国厂区积极开发SiP技术,但因整体营运状况不如前三大厂,因此难以投入大额资本以扩充SiP规模。

  不过,随着大陆封测厂江苏长电并购星科金朋而带来资金,将能够结合原本星科金朋的技术,预期在SiP领域有望成长。拥有资金并进一步取得技术之后的江苏长电,未来在SiP技术领域所带来的竞争力,特别值得台厂留意。

  IC基板厂投入SiP领域

  由于封测厂商积极发展SiP技术,因此吸引部分IC基板厂商开始聚焦SiP所带来的潜在商机。IC基板埋入主被动元件而成为SiP基板,在更薄的载板空间内埋入IC,亦逐渐成为发展趋势。未来,在行动装置、穿戴式与物联网等应用下,SiP基板预料将为IC基板厂商带来另一波成长动能。

  在国外厂商部分,除日商TDK发展积体电路内埋式基板,并与日月光结盟,共同朝SiP领域迈进之外;另一家日系大厂Ibiden、韩厂Semco以及奥地利厂商AT&S等,也都积极投入发展SiP所需的IC基板。

  国内其他IC基板大厂也陆续展开布局,其中南电发展的系统级封装产品已导入量产,主要应用于手机和网通产品,并积极开发中国大陆IC设计与封测客户。

  另一间IC基板大厂景硕的SiP产品所占营收比重在2015年已经超过一成,包括应用于功率放大器、NAND Flash与网通等产品,并与国内封测大厂建立供应链关系,同时也是美系客户供应商。而欣兴电子也积极开发新原料与新制程,以作为系统级封装基板的技术基础。

  SiP技术不但是诸多封测厂发展的目标,也吸引部分EMS厂商与IC基板厂商投入。

  近年来,部分晶圆代工厂也在客户一次购足的服务需求下,开始扩展业务至下游封测端,以发展SiP等先进封装技术来打造一条龙服务模式,满足上游IC设计厂或系统厂。

  然而,晶圆代工厂发展SiP等先进封装技术,与现有封测厂商间将形成微妙的竞合关系。首先,晶圆代工厂基于晶圆制程优势,拥有发展晶圆级封装技术的基本条件,跨入门槛并不甚高。

  因此,晶圆代工厂可依产品应用趋势与上游客户需求,在完成晶圆代工相关制程后,持续朝晶圆级封装等后段领域迈进,以完成客户整体需求目标。这对现有封测厂商来说,可能形成一定程度的竞争。

  由于封测厂几乎难以向上游跨足晶圆代工领域,而晶圆代工厂却能基于制程技术优势跨足下游封测代工,尤其是在高阶SiP领域方面;因此,晶圆代工厂跨入SiP封装业务,将与封测厂从单纯上下游合作关系,转向微妙的竞合关系。

  以晶圆代工龙头台积电量产在即的整合扇出型封装技术来说,2016年将可量产应用于行动装置产品,再搭配前端晶圆代工先进制程,打造出一条龙的服务。

  InFO架构是以逻辑晶片与记忆体晶片进行整合,亦属于SiP范畴,与过去TSV 2.5D IC技术层级的CoWoS技术相比,其亮点是无需矽中介层,因此成本更低,更轻薄且散热程度更好。

  目前台积电跨入SiP业务多为因应客户需求,是否对于封测厂形成抢单效应,值得后续关注。不过,封测厂面临晶圆代工厂可能带来的竞争,并非完全处于劣势而毫无机会。

  封测厂一方面可朝差异化发展以区隔市场,另一方面也可选择与晶圆代工厂进行技术合作,或是以技术授权等方式,搭配封测厂庞大的产能基础进行接单量产,共同扩大市场。此外,晶圆代工厂所发展的高阶异质封装,其部份制程步骤仍须专业封测厂以现有技术协助完成,因此双方仍有合作立基点。

  产业链结构完整台厂发展SiP最大优势

  2007年第一代iPhone推出后,逐渐开启行动装置产品的普及。随着轻薄短小、多功能、低功耗等产品趋势形成,SiP技术渐成封装技术发展的目标;2015年,体积更小的Apple Watch等穿戴式产品开始兴起,亦亟需使用SiP技术协助。

  而在物联网时代即将来临之际,对多功能整合、低功耗与微型化等需求更将逐步增加,SiP技术将能提供较为理想的解决方案。因此,不但国内外现有封测大厂极力发展SiP技术,相关基板厂、EMS厂乃至于上游晶圆代工厂,皆有厂商跨入以抢食商机。

  由于SiP须不同专业领域互相配合,包括IC基板、封装技术、模组设计与系统整合能力等,这对相关台湾业者来说,是很好的发展机会。因为,台湾在半导体电子产业链结构完整,厂商分布广泛,具有发展SiP技术的先天条件。就以半导体产业结构来分析,分布领域广泛且完整,使台湾半导体业者具有上中下游合作的基础条件。

  尤其对封测业者来说,以技术为主的封装厂可与IC设计厂紧密合作,以领先的封装技术来满足IC设计业者对产品的各种设计需求;也可与记忆体厂乃至晶圆代工厂技术合作,发展SiP异质整合。

  而对于专注在测试为主的后段测试厂而言,SiP对晶片功能检测与多晶片测试的需求增加,也将带给部分专业测试厂切入机会,专业测试厂可积极争取与封装厂或晶圆代工厂垂直分工,以分食SiP所带来的庞大商机。

  不仅如此,台湾在IC基板厂商近年来开始走向类半导体领域,发展SiP所需的积体电路内埋基板,提供相关材料。而在模组设计与系统整合方面,更是有鸿海等EMS大厂可进行相关支援。因此,在整体产业链结构完整的优势下,台湾厂商具有发展SiP技术的先天条件。

  目前在高阶封装技术仍保有领先地位的台厂,若能再强化厂商间合作与善用优势,则台湾厂商在SiP领域将可维持技术领先并拥有更多发展商机。

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