芯耀
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IC 需求的意外爆發(fā)正在波及半導體封測供應鏈。
對芯片需求的不斷上升正在沖擊 IC 封裝供應鏈，導致某些類型的封裝、制造能力、引線框和一些設備的短缺。
IC 封裝供不應求的局面今年早些時候就開始出現(xiàn)了，自那時起，問題愈演愈烈，到了第三季度和第四季度，供求嚴重失衡，現(xiàn)在看來，這種局面將持續(xù)到 2018 年。
出現(xiàn)這種局面有若干原因，最主要原因在于 IC 需求意外爆發(fā)，因此客戶需要更多的 IC 封裝產(chǎn)能，但是，IC 封裝工廠已經(jīng)滿負荷運轉(zhuǎn)，無法滿足多種封裝類型的需求。
除了 IC 封裝之外，電子板塊的其它產(chǎn)品品類也在這次所謂的“繁榮或超級周期”中面臨供應短缺局面。全球最大的半導體封裝與測試（OSAT）巨頭先進半導體工程公司（ASE）首席運營官 Tien Wu 表示：“這次究竟是一次超級周期，還是我們之前從未見過的內(nèi)在擴展？在這個超級周期中，供應不足的情況不絕于耳，包括存儲、OLED、被動元件等等。甚至在貼片機等半導體設備方面也存在交付時間拉長的問題。之所以出現(xiàn)這種情形，一方面是由于產(chǎn)能供應有限，另一反面是需求將在很長的一段時間內(nèi)維持強勁?！?/p>
大多數(shù)元件出現(xiàn)缺貨的原因顯而易見。比如 OLED，蘋果和三星兩家智能手機巨頭幾乎吞噬了 OLED 屏幕的所有產(chǎn)能。盡管需求不斷上升，DRAM 供應商卻一直不愿增加產(chǎn)能，導致 DRAM 成為今年漲價的急先鋒。NAND 產(chǎn)品則是由于供應商生產(chǎn)工藝正從平面型 NAND 向 3D NAND 轉(zhuǎn)型，良率問題導致供應不足。
相比之下，集成電路封裝的問題更為復雜，而且涉及多個產(chǎn)品市場。
?集成電路封裝行業(yè)的工廠利用率很高，但全球 200 毫米晶圓 bumping 制程的產(chǎn)能存在嚴重短缺。在晶圓 bumping 工藝中，焊球或銅柱在晶圓上形成，在晶粒與基板之間提供電互連。
?200mm 晶圓 bumping 產(chǎn)能不足影響了智能手機芯片級封裝（CSP）和射頻前端模塊等產(chǎn)品的供應。
?而且，由于其他原因，四扁平無引腳（QFN）封裝和晶圓級封裝需求量大增，導致供應緊張。
?對 QFN 的需求導致引線框（leadframes）的交付時間更長，引線框是用于 QFN 封裝類型的關鍵組件。而且，封裝設備需求也比預期的要強。
當然，并不是所有封裝類型都供不應求。但是總體來說，整個 2017 年半導體封測的需求一直很強勁，并且將一直持續(xù)到 2018 年。TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 表示：”每家封測工廠都處于滿產(chǎn)狀態(tài)，這段時期是封測工廠產(chǎn)能利用率最高的一段時間?！?/p>
不消說，供不應求會影響向客戶的交付時間。 “這也會影響那些試圖向市場推出新產(chǎn)品的公司，如果他們的供應受到限制，可能會損害他們的收入，”Vardaman 說： “現(xiàn)在最大的問題是，供不應求的局面會持續(xù)多久？我想，誰都無法給出正確的答案?！?/p>
這些趨勢令客戶擔憂。提供 IC 封裝和測試服務的封測廠正面臨巨大壓力。這些封測廠多年來資本不足，大多數(shù)供應商沒有足夠的資源來滿足苛刻的客戶群的各種需求。
本文主要研究了 IC 封裝行業(yè)面臨的主要短缺問題，如 bumping 產(chǎn)能、封裝類型、引線框和設備等。
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Bumping 產(chǎn)能
2017 年突然出現(xiàn)的繁榮周期讓整個業(yè)界大吃一驚。比如，2016 年年末，世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）預測，2017 年集成電路行業(yè)規(guī)模將比 2016 年溫和增長 3%。但是，這一年來，隨著 DRAM 和 3D NAND 銷售額的激增，WSTS 已經(jīng)多次上調(diào) IC 市場銷售的預測。根據(jù)最新的預測，該組織預計 2017 年半導體市場規(guī)模將達到 4090 億美元，同比 2016 年大幅度增長 20.6%，2018 年，IC 市場將繼續(xù)將增長 7％。
IC 封裝供應鏈的情況反映了芯片行業(yè)的需求前景。在這次超級周期中，封測廠們在 2017 年上半年目睹了傳??統(tǒng)的增長模式。
但是到了第三季度和第四季度，若干個板塊的需求開始超預期增長。 STATS ChipPAC 公司產(chǎn)品和技術(shù)營銷副總裁 Vinayak Pandey 說：“當然，智能手機的需求一直都在。除了移動設備，汽車和網(wǎng)絡的需求超出了我們的預期?！?/p>
需求大增導致封測廠商訂單的激增。目前，封測廠商的工廠利用率平均都在 80%以上，當然有很多類型的封測產(chǎn)能正在滿負荷運轉(zhuǎn)。 “封測廠商正在全負荷運轉(zhuǎn)，”Pandey 說。 “如果有任何額外的需求，交貨時間就會越來越長。”
產(chǎn)能的緊張表現(xiàn)在好幾個方面，其中，最大的瓶頸是一種被稱為晶圓 bumping 的成熟制造工藝，尤其是在 200mm 晶圓上。目前，Amkor、ASE、STATS ChipPAC 等公司都提供晶圓 bumping 服務。
作為交鑰匙服務的一部分，晶圓 bumping 直接在 200mm 或 300mm 晶圓上進行。bumping 本身不是一種封裝類型，它是一種在晶圓上形成微小的焊球或銅柱的制造工藝。
圖 1. 通用 bumping 技術(shù)
通過 bumping，封測廠商可以開發(fā)出各種封裝類型，比如 CSP、扇出和 Flip-chip BGA。CSP、扇入式和扇出式都屬于晶圓級封裝（WLP）。WLP 是當 IC 還在晶圓上時就對其進行封裝的一種工藝。
圖 2. 傳統(tǒng)封裝與晶圓級封裝的流程對比
Flip-chip 是一種互連方案，而不是一種封裝類型。它廣泛應用在應用處理器、圖形芯片和微處理器中。
在 Flip-chip 中，在硅片上形成微小的凸塊或銅柱。然后，將器件翻轉(zhuǎn)并安裝在一個單獨的硅片或電路板上。硅片或電路板包括一些銅焊盤。 凸塊或銅柱落在焊盤上，形成電氣連接。
圖 3. Flip-Chip BGA 封裝
目前，OSAT 廠商已經(jīng)具備了充足的 300mm bumping 產(chǎn)能，但是令人驚訝的是，市場上 200mm bumping 的成熟產(chǎn)能嚴重短缺。
這個短缺有幾個原因。 一段時間以來，集成電路產(chǎn)業(yè)對 200mm 晶圓的芯片需求巨大，導致 200mm 晶圓廠產(chǎn)能嚴重短缺。
200mm 晶圓業(yè)務的爆發(fā)拖累了整個供應鏈，當然也影響了 OSAT。但 200mm bumping 產(chǎn)能不足主要是由于模擬和射頻器件的巨大需求。Amkor 公司 bump 業(yè)務高級副總裁 Kevin Engel 表示：“RF 前端模塊需要更多的凸塊以及越來越多產(chǎn)品從其他封裝類型遷移到 WLCSP 導致了對 200mm 晶圓 bumping 產(chǎn)能的激增。”
實際上，200mm bumping 產(chǎn)能的短缺已經(jīng)導致了 CSP 和 RF 前端模塊的供應短缺。射頻前端模塊由手機中使用的關鍵射頻元件組成。
圖 4. 標準 CSP
模擬 / 射頻芯片制造商正在爭奪 200mm 晶圓 bumping 產(chǎn)能。以前，這些供應商選擇了一種使用了被稱為球滴的傳統(tǒng)技術(shù)的封裝類型，這種工藝是在芯片的 I/O 上形成焊球，焊球的尺寸大小為從 150μm 到 200μm。
圖 5. 球滴工藝
“當你縮小管腳時，你需要同步縮減焊球的大小。焊球的尺寸有一定限制，“STATS ChipPAC 的 Pandey 說?！八?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E8%8A%AF%E7%89%87/">模擬芯片供應商都想縮小封裝，并把更多 I/O 集成在器件上。突然之間，他們再也不能用焊球了，他們需要一個更小的凸塊。?！?/p>
結(jié)果，許多模擬 / 射頻芯片制造商都從球滴技術(shù)轉(zhuǎn)移到電鍍 bumping 工藝上，這樣可以形成更小的管腳，但是需要更多的工藝步驟，比如電鍍。Pandey 說：“工藝轉(zhuǎn)換帶來的挑戰(zhàn)在于，球滴工藝是一個相當快的過程，但電鍍工藝卻比較耗時。所以就對產(chǎn)能產(chǎn)生了挑戰(zhàn)?！?/p>
圖 6. 電鍍凸點工藝
未來一段時間內(nèi)，200mm 晶圓 bumping 的產(chǎn)能預計仍將供不應求。過去，OSAT 廠商一直不愿增加 200mm bumping 的產(chǎn)能，但是現(xiàn)在，有些廠商正在改變方向，并計劃在 2018 年增加更多產(chǎn)能。
在 2019 年，模擬 / 射頻芯片制造商可能會從電鍍凸塊遷移到銅柱凸塊。今天許多數(shù)字芯片也在使用銅柱凸塊，這意味著未來這種技術(shù)可能會面臨瘋狂的爭奪。
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某些封裝類型供不應求
如上所述，當前市場上的 CSP 和 RF 模塊供應緊張。其它封裝類型的需求也很高。TechSearch 的 Vardaman 表示：“晶圓級封裝的強勁增長仍在持續(xù)，我們還看到系統(tǒng)級封裝的增長，以及汽車 IC 封裝的增長?！?/p>
扇入和扇出型等 WLP 封裝的需求非常強勁。 Amkor 公司的 Engel 說：“晶圓級封裝與 bumping 的情況類似。 行業(yè)內(nèi) 200mm 和 300mm 的整體產(chǎn)能緊張。目前稍有緩和，但供求關系失衡將在 2018 年達到頂峰，到時挑戰(zhàn)性會更大?！?/p>
大部分需求都集中在傳統(tǒng)扇出封裝，即嵌入式晶圓級 BGA（eWLB）上。 新一代高密度扇出型封裝的需求也在不斷攀升中。目前，臺積電的扇出型封裝技術(shù)已經(jīng)被蘋果采用。日月光、Amkor、STATS ChipPAC 等公司也正在推出新一代扇出工藝。
令人驚訝的是，QFN- 一種較舊但可靠的封裝類型 - 需求也很火爆。分析師認為，英飛凌、恩智浦、Microchip、Silicon Labs、意法半導體和 TI 是推動 QFN 需求的主要動力。
QFN 和四方扁平封裝（QFP）屬于引線框封裝類型。引線框是由封裝引線和外框的金屬框架。硅片被綁定在框架上，引線通過細線連接到管腳上。
STATS ChipPAC 公司的 Pandey 表示：“QFN 是目前最便宜的封裝類型，QFN 雖然便宜，但它仍然允許你做一些布線工作?！?/p>
圖 7. QFN 封裝
QFN 的驅(qū)動力主要來自兩個市場 - 汽車和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。 他說：“我們現(xiàn)在開始發(fā)現(xiàn)，QFN 正在逐漸走向供需失衡，QFN 的需求無處不在?！?/p>
更加雪上加霜的是，三星在最新的智能手機上大量采用了 QFN 封裝。此外，三星智能手機更多采用了 WLP 封裝，但是由于上一代智能手機出現(xiàn)了各種各樣的問題，三星決定選擇更加可靠穩(wěn)定的 QFN 取代 WLP 封裝，以保證手機的可靠性。
相比之下，蘋果在其最新的智能手機中使用了更多的 WLP，包括扇入和扇出兩種封裝。
同時，QFN 的強勁需求正在影響用于制造這些封裝的組件供應，即引線框。Amkor 公司引線框產(chǎn)品高級總監(jiān) Prasad Dhond 表示：“QFN 需求強勁，但在可控范圍內(nèi)。自 2017 年第一季度以來，部分供應商的引線框出現(xiàn)供應緊張局面。由于產(chǎn)能短缺，使用特定粗糙處理的引線框的交付時間一再拉長。由于銅原料短缺，其他引線框架供應商已經(jīng)推遲了交貨時間?！?/p>
圖 8. 引線框例子，精密沖壓、高質(zhì)量電鍍、光刻
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引線框的困境
可以肯定的是，引線框業(yè)務也正在發(fā)生一些變化。SEMI 表示，目前市場上有 40 多家引線框供應商，其中包括一些規(guī)模在 1000 萬美元至 4000 萬美元范圍內(nèi)的小型供應商。較大的引線框供應商包括 ASM 太平洋科技、昌華、海星 DS、三井、新光和 SDI。
SEMI 表示，總體而言，2017 年 IC 封裝的引線框單位出貨量預計同比 2016 年增長 10％。SEMI 的分析師 Dan Tracy 表示：“可以肯定地說，2018 年以后，引線框的單位出貨量的增長率會降低到低至中等的個位數(shù)?！?/p>
引線框業(yè)務利潤較低，并且經(jīng)歷了一些動蕩時期。以下是該行業(yè)最近發(fā)生的一些事件：
?2016 年，全球最大的引線框供應商住友金屬礦業(yè)（Sumitomo Metal Mining）因為利潤率下滑以及面臨來自中國的激烈競爭的雙重壓力而退出了這一行業(yè)。 去年，中國臺灣的昌華收購了住友的主流引線框產(chǎn)品。另一家中國臺灣供應商 Jih Lin 則從住友公司購買了功率半導體引線框產(chǎn)品。
?2017 年，引線框供應商無法獲得足夠的用于制造 IC 封裝引線框所需的銅合金材料。
?然后，日立、科比、三菱和其他銅合金供應商已經(jīng)將大部分生產(chǎn)從引線框產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到了更高利潤率的連接器產(chǎn)品上。
總而言之，引線框供應商和他們的客戶都將面臨產(chǎn)能不足的挑戰(zhàn)。SEMI 公司的 Tracy 說：“用于引線框的銅合金存在供應問題。所以引線框制造商和他們的客戶都面臨更長的交付時間?！?/p>
引線框供應商需要大量的銅合金材料來制造 IC 封裝的引線框。不過，最近，OSAT 廠商對精細間距的 QFN 封裝產(chǎn)生了強烈的需求，這種封裝對銅的需求更少。 “總體而言，半導體封裝消耗的銅合金數(shù)量一直在下降，”Tracy 說。 “雖然整體引線框出貨單位仍然在增長，但更小、更薄的 QFN 封裝的趨勢會導致銅合金消耗量更少?！?/p>
綜合考慮這些問題，2017 年，引線框供應商一直備受壓力?！皬?2016 年底開始，我們看到引線框市場出現(xiàn)回升。當進入 2017 年第二季度時，我們發(fā)現(xiàn)市場需求突然迅速增加，”ASM 太平洋科技集團首席運營官兼執(zhí)行副總裁 Stanley Tsui 說，這家公司是設備、引線框和其他產(chǎn)品的供應商。Tsu 也是 ASM 太平洋科技公司物料業(yè)務部門的首席執(zhí)行官。
大概在 2017 年第二季度，銅材料供應商開始將他們的產(chǎn)品從引線框轉(zhuǎn)移到連接器產(chǎn)品，導致引線框的交貨時間延長?！斑@種舉動導致整個供應鏈非常緊張?！盩sui 說?！霸撔袠I(yè)開始爭奪原銅產(chǎn)能。”
引線框的傳統(tǒng)交貨時間為三到四周。分析師指出，到了 2017 年年中，引線框的平均交貨時間大約延長到了 10 到 12 周，這種局面導致了市場的“恐慌性買入”。
“在第二季度和第三季度開始的時候，我們的交貨時間已經(jīng)延長到了 12 到 16 周，有些個別產(chǎn)品的交付時間是 20 周，那是用在一個獨特工藝上的產(chǎn)品，“Tsui 說?！爱斘覀冞M入第四季度時，市場平靜了一些?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)回到了 6-8 周的水平，有些產(chǎn)品是 4 到 6 周?！?/p>
目前，引線框市場情況比較復雜。Mitsui High-tec 的法律小組經(jīng)理 Kenji Okuma 在一封電子郵件中表示：“由于汽車應用的推動，對引線框的需求比以前要高。Mitsui 是目前全球最大的引線框供應商，生產(chǎn)各種引線框架，包括用于各種應用的超細間距產(chǎn)品?！?/p>
引腳框和其他產(chǎn)品供應商 SDI 公司營銷和銷售部副總裁 James Cheng 表示：“總體來說，引線框目前的供求情況比較緊張?！?/p>
Cheng 和其他人認為，更大的問題是銅合金材料的供應。SEMI 表示，從供應商角度來看，引線框廠商獲得銅合金的交貨期是 40 到 50 天，連接器廠商是 30 到 40 天。
Cheng 說，日本和德國的供應商生產(chǎn)的銅材料質(zhì)量更高，但是這些產(chǎn)品“供應非常緊張并難以獲得”。“它們需要更長的交貨期。同時，供應商也提高了價格。”
中國也生產(chǎn)銅合金。雖然中國的供應商有足夠的產(chǎn)能，但是它們的質(zhì)量有時候不符合標準。 他說：“中國的低端銅供應商無法達到一定的質(zhì)量要求?！?/p>
設備方面的情況
除了某些封裝類型和引線框供應緊張之外，OSAT 廠商還擔心用于制造 IC 封裝的設備的交付時間。
一些設備的交付時間還算正常，但是有一些設備的交付時間正在延長。比如，全球最大的電焊機供應商 Kulicke＆Soffa 最近宣布電焊機的交貨時間為五周，比正常情況延長了兩周。
不過，K＆S 發(fā)現(xiàn)，用于功率集成電路的楔形鍵合機訂單猛增。濺射設備和其他系統(tǒng)的交貨時間也正在延長。
那么，年底將至，2018 年的情況會如何演變？預測未來是困難的，但封裝供應鏈的短缺預計將至少持續(xù)到 2018 年上半年。
目前，供應商們正在采取觀望的態(tài)度。ASM 太平洋科技公司的 Tsui 說：“在下一波供應短缺到來之前，這段時期大家都比較冷靜。業(yè)界也有時間冷靜下來，消化庫存。然后，我們會再次等待下一次供應短缺帶來的紅利。”
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