（工商管理专业论文）晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用分析.pdf

摘要 半导体产业以发展迅速而著称 技术创新一直是推动产业发展的 主要驱动力 晶圆级封装技术是近年来半导体封装领域出现的一项重 大技术变革 晶圆级封装技术采用了与传统封装技术截然不同的工艺 其主要 的优势是芯片的尺寸更小 成本更低 各种性能也有了明显的提高 本文根据技术创新的相关理论 对晶圆级封装技术进行了评估 并且 分析了此项新技术对半导体产业结构的影响 作者利用技术扩散的基本知识分析了晶圆级封装技术的扩散过 程 然后分析了晶圆级封装产业化过程中面临的风险 包括技术风险 和市场风险 为了避免这些风险 有两个封装联盟在推动晶圆级封装 技术的标准化和产业化 作者对这两个联盟组织进行了详细的比较 最后 作者试图分析晶圆级封装技术成为主流技术的条件 来判断该 技术未来的发展趋势 同时 随着近几年中国半导体产业的蓬勃发展 作者以投资于晶 圆级封装的泰隆 a c es e m i c o n d u c t o r 半导体上海公司为案例 分析了 引入此项先进封装技术对中国半导体产业的促进作用 以及介绍了泰 隆半导体在中国的商务模式 关键词 晶圆级封装技术创新技术扩散技术风险战略联盟 a b s t r a t t h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yi so f t e nc i t e da sad r a m a t i ci n d u s t r y b e c a u s eu n c e a s i n gt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni s t h em a j o rd r i v ef o rt h e i n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s w a f e rl e v e lp a c k a g ee m e r g e d a sa l li m p o r t a n t t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni ns e m i c o n d u c t o ra s s e m b l y f i e l d w a f e rl e v e lp a c k a g ei san e w e rt e c h n o l o g yt h a tb r e a k sa w a yf r o m c o n v e n t i o n a lm o d eo fp a c k a g i n g t h em a j o ra d v a n t a g e so fw a f e rl e v e l p a c k a g ea l es m a l l e rs i z e l o w e rc o s t s h o r t e rm a n u f a c t u r i n gc y c l et i m e a n db e t t e rc h a r a c t e r sf o ri cp r o d u c t s i nt h i sp a p e r t h ea u t h o re v a l u a t e d t h ew a f e rl e v e lp a c k a g et e c h n o l o g yb yu s i n gs o m er e l a t e dt e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o nt h e o r i e s a n da l s os t u d i e dh o w t h i st e c h n o l o g yw i l li n f l u e n c e t h ec u r r e n ti n d u s t r ys l r u c t u r e t h ea u t h o rs t u d i e dt h ed i f f u s i o np r o c e d u r eo fw a f e rl e v e lp a c k a g e a c c o r d i n ga st e c h n o l o g i c a ld i f f u s i o nt h e o r y w h i l ei n d u s t r i a l i z i n gw a f e r l e v e lp a c k a g et e c h n o l o g y t h ea d o p t e r sw i l lf a c et w od i f f e r e n tt y p e so f r i s k t e c h n o l o g yr i s ka n dm a r k e tr i s k t oa v o i dt h er i s k s t w os t r a t e g i c a l l i a n c e sw e r ef o r m e d t h e yc o m m i t t e dt h e m s e l v e st oi n d u s t r i a l i z ew a f e r l e v e lp a c k a g et e c h n o l o g y a n dc o m p e t e de a c ho t h e rf o rt h es t a n d a r do f t h en e wt e c h n o l o g y l a s t l y t h ea u t h o r 打yt oi d e n t i f yt h ec o n d i t i o n so f w h i c hw a f e rl e v e lp a c k a g ec o u l d b ea m a j o rt e c h n o l o g y i n s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y a n df o r e c a s tt h ef u t u r eo f t h et e c h n o l o g y c h i n ah a sb e e nab o o m i n gs e m i c o n d u c t o rm a r k e ti nt h e s ey e a r s t h e a u t h o rs t u d i e dt h ec a s eo fa c es e m i c o n d u c t o r w h i c ha d o p t e dw a f e r l e v e lp a c k a g et e c h n o l o g yi ns h a n g h a i i tw i l la c c e l e r a t et h et e c h n o l o g y l e v e lo fc h i n a ss e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y t h ea u t h o ra l s og a v eab d e f i n t r o d u c t i o no f a c e sb u s i n e s sm o d e li nc h i n a k e yw o r d s w a f e rl e v e lp a c k a g e t e c l a n o l o g i c a i i n n o v a t i o n t e c h n o l o g i c a l d i f f u s i o n s t r a t e g i ca l l i a n c e 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 压 司弛 日期 加 年z 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允 许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 保密压五在 2 二 年解密后适用本授权书 不保密口 请在以上方框内打 学位论文作者签名 劾l 司劭f 指导教师虢尸舍 厶 p 日期 泐弓年莎月 罗日日期 弘哆年莎月 9 日 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 第一章绪论 在这个十倍速变化的时代 只有偏执狂才能生存 4 n t e l 前任c e o 安迪 葛鲁夫 自从晶体管发明以米 半导体产业便成为人类迈入电子时代的一个引擎 不断涌现的技 术创新推动着人类文明的进步 在半导体封装领域 近年来一项新技术 晶圆级封装技术 开始引起半导体产业结构的变革 该技术突破了封装尺寸的极限 是应用于下一代高速度和 便携式产品的极佳的选择 第一节本文研究的背景和目的 本文的研究背景主要来自于作者的工作实践经验和学习m b a 期间的理论基础 本文作者多年来从事半导体行业的技术和市场上作 曾在新加坡一家著名的半导体设备 公司从事研究工作 在回国后又供职于一家人犁的半导体封装厂 负责市场的开发 在长期 的技术和管理工作中 作者对半导体产业 尤其是封装领域的技术趋势和市场动态有比较深 的了解 结合国外前沿的技术背景 对高新技术的产业化以及在中国的应用产生了浓厚的兴 趣 晶圆级封装技术正是作者现在供职的半导体封装厂采川的一项世界领先的封装技术 此 项新技术的引入国内 面 临一个在中国半导体产业还较薄弱的环境f 的市场如何定位和开发 的问题 结合自己的技术背景 作者在m b a 的学习期间 对于高新技术创新方面的经济和管理 问题产生了浓厚的兴趣 如何对一项新技术进行评估 如何对新技术进行管理以及在动态的 技术变革过程中如何制订战略 这些问题作者都试图在m b a 的学习过程中找到答案 在半 导体行业 技术的变革时刻都在发生 一些具有十倍速变化的技术可能会影响剑产业链上的 每一个环节 这就需要用经济学和管理学的理论去理解这些变革的本质 探寻一条将新技术 产业化的可行之路 通过对晶圆级技术这一新技术的分析 可以使我们更清楚地认识半导体行业中技术变革 的特点 新技术在产业链中各个环节厂商的参与以及技术的标准化都会促使新技术可能成为 未来的主流技术 同时 在现有商务模式无法适应新技术的市场扩散的需要时 便须有组织 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 创新以配合技术创新 通过此文 我们还可以认识到 在中国这个新兴的半导体市场 如何采用世界先进的半 导体技术 在战略定位和市场开发上面 都必须突破原有的半导体商务模式以适应中国的市 场环境 第二节本文的结构安排 本文共分为七章进行阐述 内容安排如下 第一章是绪论 简要介绍作者写作的背景及目的 强调在技术变革日新月异的半导体产 业 研究技术创新的意义 第二章通过对半导体产业的一个简单地介绍 使读者能够了解到半导体产业在国民经济 中的地位及其一般特点 为了便丁 下文的分析 作者义介绍了在半导体产业中的两种商务模 式 制造下艺利封装工艺的简单流程以及发展趋势 第三章是对本文所述的品圆级封装技术进行评估 作者首先对晶圆级封装的技术特点 发展限制 虑埘领域等作一介绍 然后利用熊彼得的技术创新理论以及生命周期等理论对晶 圆级封装技术进行评估 认清晶圆级技术在 卜导体产业中的地位 第四章是晶圆级封装技术对 f 导体产业产生的影响 作者根据供应链的理论 分别对 导体产业链中的 种企业面临的机会与挑战进行了逐一的分析 其中 还以作者在新加坡时 一个公司为案例 分析了该企业所采取的措施 第五章为晶圆级封装市场及解决方案的分析 作者先分析了晶圆级产业化过程中的风 险 然后利用技术扩散的基本知识分析了晶圆级封装技术的扩散过程 面对诸多不确定 有 两个封装联盟在推动品圆级封装技术的标准和产业化 作者对这两个联盟组织进行了详细的 比较 最后 作者试图分析晶圆级封装技术成为主流技术的条件 来判断该技术未来的发展 趋势 在第六章 采用泰隆半导体作为案例分析晶圆级封装技术在中国的应用 作者先介绍了 中国 r 导体产业的环境和特点 结合以上章节对晶圆级封装技术的分析结论 利用迈克波特 的竞争力分析理论和s w o t 分析理论 对泰隆半导体的竞争战略和商务模式进行了简要的 分析 第七章为结语 对全文作了总结 2 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 第二章半导体及封装产业介绍 第一节半导体产业介绍 一 简介 集成电路 i c 被誉为信息时代的稻米 电子产业的心脏 自从1 9 4 5 年世界上第一只 晶体管在贝尔实验室发明以来 世界半导体产业便随着人类的第三次产业革命而迅速发展起 来 1 9 6 2 年 世界半导体市场突破了l o 亿美元 到1 9 7 8 年 达到1 0 0 亿美元 伴随着个 人计算机的应用 到2 0 0 0 年 更是达到了2 0 0 0 亿美元的市场容量 统计显示 每1 美元半 导体产业的产值 可以带动l o 美元电子工业的产值 可以带动1 0 0 美元的g d p 资料米源 i ci n s i g h t s 如今 集成电路产晶已经深入到人类生活的各个角落 主要的廊川领域有 计算机 通 讯产品 个人消费电子 工业及汽车 航空及国防等 而产品应 i j 也有多种形态 处理器 存储器 逻辑电路 模拟电路等等 二 半导体产业具有如下特点 半导体产业是技术创新最为迅速的产业之一 从最开始的只有几只三极管的集成电路的 小规模集成 s s i 到中规模集成电路 m s i 大规模集成电路 l s d 超大规模集成 v l s i 以及特人规模集成 u l s i 集成度不断提高 如今 在一平方厘米内可以集成几千万个半 导体门电路 著名的摩尔定律便反映了半导体产业的革新速度 1 9 6 5 年 时任仙童 卜导体 公司总裁的戈登 摩尔提出 半导体产品的集成度将每隔1 8 个月增加一倍 经历了将近四十 年的发展 摩尔定律始终有效 成为半导体产业技术创新的金科玉律 进入新千年 集成电 路的线宽已经达到纳米级 晟近摩尔先生又大胆预言 其定律至少在十年之内依然有效 半导体产业是个全球性的产业 自从诞生之是日起 便是在全球舞台上展开竞争 纵观 半导体产业的历史 兴起丁 美国 其后随着应用范围的扩大 逐渐幅射剑欧洲 日本 在二 十世纪八十年代后 又向韩国 台湾和新加坡转移 到今天 中国人陆开始兴建人犁的 卜导 体公司 在此转移过稗中 整个趋势是向人力成本低的国家或地区转移 技术则转向新兴的 市场 如今 美国在c p u 处理器方面 日本在消费类电子方面 台湾在个人电脑用集成电路 3 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 韩国在存储器方面分别占有自己的竞争优势 这样 全球性的产业分工格局初步形成 半导体产业具有明显的周期性 尽管从总的趋势上来看 半导体产业的产值一直呈快速 的发展态势 由于技术驱动及市场拉动 半导体产业也体现了很好的周期性的规律 往往是 技术创新创造和满足了消费者的需求 引来过剩的投资 又导致生产开工率不足 市场饱和 直到新的创新 打破成本的界限或开发了新的应 h j 领域 从最初的原材料工业品到最后的终 端消费品这条供应链上 半导体产业处在顶端的位置 根据牛鞭效应理论 当终端需求产生 变化而进行调整时 半导体产品要有一定的延迟和放大 这样 半导体产业周期性的显著特 点是波动剧烈 通常情况下是电子行业波动幅度的2 到3 倍 而是g d p 波动的5 到1 0 倍 显然 这种剧烈波动的周期性演变 给半导体企业的经营带来很大的不确定性 半导体产业是一个具有聚集性的产业 其内部的供应链比较 包括品圆加工业 封装 测试业 i c 设计业 半导体设备及材料供应商 现在 随着知识经济的发展 又出现了设 计服务业以及通路服务商 半导体产业处在整个电子工业的顶端 这就要求产业链上的各个 厂商能够展开合作 显然 产业的聚集 使厂商间的沟通成本降低 并且能够更有利于吸引 人才 三 商务模式 在半导体产业中 有两种主要的商务模式 一种是i d m 整合元器什厂商 是指从设计 到晶圆加上再到封装测试推向市场都由一个厂商完成 m m 是传统的商务模式 广泛地被 世界大厂所采用 像i n t e l m m n e c 等 另外一种商务模式是代工模式 即将半导体产 业链分解 分为i c 设计公司 f a b l e s s 晶圆加工厂 f a bf o u n d r y 封装测试工厂 a s s e m b l y a n dt e s 0 由i c 设计公司将设计好的集成电路方案委托晶圆厂生产电路 流片 再交由封装 测试厂将晶圆里的屯路进行切割 封装和测试 完成芯片的成品交货 代工业兴起丁8 0 年 代的台湾 品圆加 厂以台积电 t s m c 台联电 u m c 为代表 而设计公司则有威盛 凌 阳 在封装测试业主要有日月光 新科封装等公司 现在 代t 模式己成为世界 卜导体产业 的发展趋势 新加坡 韩国以及中国大陆的许多新建半导体公司多是以代工业务为主 像 m o t o r o l a 德州仪器等传统d m 厂商也开始将生产业务交由代工厂商 系毒 尚1i 除h k 覆 垃 币u 铡l 主4 l 筌妒i 卜造装 一一 计试 i 沪 图2 1i d m 模式 i n t e l t i 4 上海交通m b a 学位论文 晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 l 醐hm l 懈 叫 l f a b l e s s 设计公司晶圆加工厂 w a f e r f a b 封装测试工厂 a s s e m b l y t e s t 图2 2 代工模式 t s m c u m c d m 厂商往往对资本及技术要求相当高 多为大型的跨国公司 其优点是由于从设计 剑最终产品都由一个公司完成 可以较好地协调设计 生产与市场之间的关系 对于高尖端 的技术 采取封闭的系统 可以保证自己在技术上的攀断和对知识产权的保护 但是m m 厂商的缺点也很明显 由于投资一个晶圆厂动辙上亿美元的资金 当需求不足时 将无法单 独由本公司产品完全填充产能 造成生产环节成本较高 代工模式则将产业链切断 交由不 同的公司完成不同的工作 芯片设计公司主要是由技术水平出众的设计工程师组成 无需投 资巨大的金额建设厂房 可以以低成本进入市场 而晶圆厂和封装厂则可以从多家芯片设计 公司 包括m m 厂家接单以填充产能 实现低成本的竞争力 自从8 0 年代台积电开创代工 生产的先河以来 此种模式已经成为半导体产业的一个发展方向 第二节半导体封装产业及传统工艺介绍 半导体封装产业介绍 晶圆厂出来的产品是晶圆片 w a f e r 每个晶圆片上面有成互上千颗芯片 必须交由封 装测试厂进行切割 封装及测试才完成芯片的整个加上过程 在半导体工业界 按照流程的 先后顺序为标准 晶圆片生产称为前端 f r o n te n d 而封装测试则称为后端 b a c ke n d 封装的主要过程是将芯片中的电路用引线等形式引出 并用塑料或陶瓷等原料将其密 封 以方便对电路进行测试和保护芯片 由于封装与测试的过稗紧密相联 通常封装和测试 都是在一个1 二厂内完成的 封装测试是半导体产业中不可分割的一个过稃 占整个 导体产 业的1 0 左右的产值 其最终产品芯片可以作为成品廊州于电子工业 我们可以由幽2 2 中 看出封装测试业在半导体工业价值链中的地位 从外观看 各种芯片的形态各不相同 针对不同的集成电路产晶 采 的封装形态也各 不相同 根据封装外壳的材料来分类 可以分为塑料封装和陶瓷封装 根据封装引脚的不同 5 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 又可以分为插针式的封装 如d m 贴片式封装 如t s o p 金属锡球封装 如g b a 在各种集成电路的应用中 厂家往往根据引脚数的多少及成本来选择不同的封装形式 自从 集成电路产业开始发展以来 封装 艺也随着半导体技术水平进步而进步 目前的封装种类 已经达到数十种之多 而不同的封装厂家又会发展出相近的封装方法 但是 从封装完成的 工艺角度考虑 由于采用了完全不同的设备和材料 本文将封装分为传统的封装和先进的封 装 以上所列的像d i p t s o p b g a 等工艺 都属于传统封装的范围之内 本文所要论述 的品圆级封装则属于先进封装的一种 现代半导体界 尽管集成电路的封装从外表上来看千差万别 使用材料也各不相同 不 过从其芯片内部到外部的连接的工艺角度来分类 主要有两类 一类是打线 b o n d i n g 的技术 主要是用金线或铝线来连接 另一类是金属凸块 b u m p i n g 的 二艺 也称锡球焊接的i 艺 由于打线的技术是从8 0 年代以来统治封装市场的一项技术 本文称此种封装为传统封装 而金属凸块工艺则是近几年发展比较迅速的技术 其中本文所述的品圆级封装 w l p 即 为此种技术的一人类 我们在此统称为先进封装工艺 目前的半导体封装市场 正是两种封装技术交汇利用的战国时代 关丁打线技术是否会 被锡球技术所取代也是封装产业的一个关注的焦点 下面 本文对此两种技术进行一个简单 的介绍 二 传统工艺介绍 图2 3 为传统工艺所经历的主要的j 二作流稃 晶圆切割封装成型 图2 3 传统封装工艺流程 这里的传统r 艺是指利用打线技术为主的技术 其封装过程为 晶圆厂生产出来的晶圆 交由封装厂进行封装 晶圆片分为4 英寸 5 英寸 6 英寸 8 英寸和1 2 英寸几种 目前主 流的为8 英寸的晶圆 每一片晶圆片上都有成百上千颗芯片 首先封装厂会将品圆上的芯片 进行进行切割 如图2 3 然后将这些芯片 l i j 机器放置丁 引线框架 l e a d f r a m e 中 利用 打线机 w i r eb o n d 将芯片内部的电路与引线框架的引脚进行连接 然厉利用冲模机 m o l d 6 上海交通m b a 学侍论文品圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 给集成电路封上塑料以起到保护的作用 最后将引脚折弯 t r i mf o r m 便可以进行芯片成 品的最后测试 上述工艺适 l j 于大多数的芯片封装 图2 4 是一个目前得到广泛应用的t s o p 封装形式的内部结构图 对于近几年较为流行的b g a 封装 其原理也是一样的 只是其引 脚为球状 而非如图中所示的针脚状 由于其基本的原理和过程与其它传统形式没有本质的 区别 本文中 我们也将b g a 封装列为传统封装的一种 图2 4 传统封装的芯片解剖图 当今半导体封装领域 由于传统工艺的技术已经相当成熟 封装成本已经相当的低 依 然占据着主流的地位 大约9 0 的封装都采用传统封装的 艺 例如仍大量应用的t s o p s o j b g a q f p 等封装形态 都是采用传统的封装工艺来完成的 而p g a 等产品是采用 的先进的b u m p i n g 的工艺 虽然采 l i jb u m p i n g 工艺的集成电路的电气性能等方面都会有较 大的提高 但是其材料的选择性比较差 成本相对比较高 这些因素都制约了此工艺的发展 目前阶段 b u m p i n g 工艺的基板 s u b s t r a t e 和金属的选择是其成本的主要瓶颈 许多公司 和科研机构都在致力于此方面的研究 随着科技的进步 b u m p i n g1 艺有朝一日有希望成新 一代的封装技术的主流 三 i c 封装的发展趋势 随着网络时代的到来和人们生活水平的不断提高 人们对电子设备提出了更新 更高的 要求 一是要求的功能越来越多 二是要求的体积越来越小 便丁i 携带 目前已有4 0 的 电子设备是 便携式 的 2 0 0 4 年将达剑6 0 如今 手机 p d a 个人数字助理 雨i 手 提电脑已成为白领阶层出差办公的三什必备品 为此 要求配套的集成电路采用先进的封装 技术 如b g a 球栅阵列 f c p 倒装芯片封装 w l p 晶圆级封装 和m c m 多芯片 封装 等 目前 芯片封装还在朝着体积更小 i o 输入输出线更多 性能更好和成本更低 的方向发展 现今的封装市场 涌现出多种先进的封装方式 都是瞄准未来电子产品的轻便 的应埘方向的 7 上海交通n i b a 学位论文 晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 第三章晶圆级封装技术及评估 第一节晶圆级封装介绍 一 晶圆级封装技术的工艺介绍 晶圆级封装 是属于芯片尺寸封装的一种 所谓芯片尺寸封装即是当芯片封装完毕后 其所占的面积小丁二芯片 d i e 面积的1 2 0 与传统的封装工艺相比 先进行晶圆切割不同的 是 晶圆级封装在晶圆执行切割分离的工序之前 便完成封袈和测试 彻底整合芯片的前端 与后端工艺 在完成封装和测试后 才将晶圆按照每一个芯片的大小来进行切割 这样 其 封装后的芯片大小与实际芯片的大小是完全一样的 是真正意义上的芯片尺寸封装 晶圆级封装采用的工艺是金属凸块 b u m p i n g 的上艺 其实施的方法是与芯片前端的工 艺相似 采用的设备和材料也与晶圆厂中使t l f j 的设备材料有很大的相同的地方 虽然金属凸 块t 艺在近几年才开始广泛应用于半导体的封装之中 实际上此种工艺是伴随着半导体产业 的发展而发展了三十多年的技术 早在1 9 6 0 年 i b m 便着手于研究一种叫 直接芯片连接 d c a 的封装技术 只是由丁 无法控制芯片与基板之间的距离而一直无法成功 最后 h j 铜球 取代锡块之后 才解决了这一问题 晶圆品圆级封装切割成氆 图3 1 晶圆级封装的工艺流程 晶圆级封装与传统封装的一个晟人的区别是封装完全在晶圆片上完成 而不像传统封装 中先将晶圆片中的每一个集成电路进行切割 再封装 品圆级封装采用的迮线l 艺是先进的 金属凸块的方法 而不是传统的打线的方法 传统封装的测试是需要两步 既要有品圆上的 电路测试 c pt e s t 也要有封裟完成后的芯片测试 f t t e s t 而品圆级封装在大多数情况 8 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 下 可以只做c pt e s t 而不必再进行f tt e s t 这样 可以节约测试的成本和时间 表3 1 详细列出了晶圆级封装与传统封装的不同 比较项目 传统封装晶圆级封装 封装步骤先切割再对每一颗芯片进行封装全部在晶圆片上进行封装 连线 r 艺打线焊接 w i r eb o n d 重新布线及金属凸块 w a f e r b u m p i n g 封装尺寸大 大约为芯片的4 到l o 倍小 与芯片的大小相同 外观引脚数不限目前适 h j 于1 0 0 条引脚以下的芯片 测试需c p 和f t 两步测试 需c p 测试 一般f t 测试可省 成本以每粒芯片计价 比较低以每片晶圆计价 在产量大或者品圆 片较大时有成本优势 材料选用 金线 引线框架等光掩膜 铜 锡球等 设备投资传统的打线机 塑封机等 相对许多前端的设备 相对较人 较小 电气性能已经发展到接近极限有相当人的改善 r 艺实施难度技术相当成熟 实施容易标准尚朱制定 技术仍在发展中 表3 1 晶圆级封装与传统封装的比较 二 晶圆级芯片尺寸封装的优点 一般而言 与其它封装方式比较 晶圆级芯片尺寸封装有以下几点优势 1 芯片尺寸缩减 晶圆级芯片尺寸封装最明显的优势即为面积尺寸缩小 这使制造商可以在固定的空间 中 容纳更多芯片 整合并提供更多功能 或将整个产品的体积缩小 便于携带和存放 举 例来说 移动电话在最近几年的发展可说是极为快速 从早期又笨又重的 大哥大 移动电 话 剑现在日本号称全世界最薄的移动电话s a n y oc 4 0 5 s a 厚度仅9 9 m 虽然在体积上有 极大的缩减 其功能却是大大的提升了许多 制造商为了能达成这种效果 不仅在芯片设计 上做改良 封装技术的改进 也起到了功不可没的作朋 2 高传输速度 与传统打线产品比较 晶圆级芯片尺寸封装一般而言有较短的连结路线 在高效能要求 如高频环境之下 将会有较好的表现 拿锡球与金线两种连结方式做比较 根据美国国家 导体所公布的实验结果 锡球所产生的电感会比金线所产生的电感少1 0 以上 3 高密度连结 由丁二晶圆级芯片尺寸封装可运用数组式近结 a r e aa r r a yp a c k a g i n g 冈此芯片与电 路板之连结不再限制y 芯片的四周 p e r i p h e r a l 不但可使芯片再缩小 更提高了单位面 积的迮结密度 9 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 4 低成本 传统封装方式工作时 需先将晶圆切割成晶粒后再行封装 因此当晶圆尺寸加大时 封 装成本并不因大晶圆受益 然而 由于品圆级芯片尺寸封装制程整合于粘片晶圆上 理论上 来说 晶圆尺寸愈大 则晶圆级芯片尺寸封装的效益愈高 相对降低封装的制造成本 虽然 由于目前业界有各自的制程及材料 品圆级芯片尺寸封装的产品尚无法在价格上取得优势 但晶圆级芯片尺寸封装确有降低制造成本的潜力 5 更快的上市时间 t i m et om a r k e t 利用晶圆级封装工艺 可以有效地将原来的生产周期由 n 两周的时间缩短到三到四天 的时间 这样 便可以加速公司库存和现金流的流动速度 尤其对于那些价格非常敏感的产 品来讲 例如d r a m 内存存储器 产品 更短的上市时间则意味着可以更快地根据市场价 格的变化来调整公司的产能 三 晶圆级芯片尺寸封装的发展限制 1 高i 0 输入输出引脚 的限制 由于所有芯片的引脚均通过芯片表面与印刷电路板直接连接 因此 对于高引脚的芯片 在采用品圆级芯片尺寸封装时 假设采用锡球的连接方式 则须使用非常小的锡球以达到极 小的引脚间距 虽然现今技术已可支持小于5 0 m m 之间距 然而在高密度印刷电路板的设计 及制作方面 却有着相当高的难度及成本的顾虑 2 由于是晶圆级芯片尺寸封装 不论是好的芯片或坏的芯片都将被封装 因此在品圆 制作的良率不够高时 晶圆级芯片尺寸封装将导致多余的成本及测试制程 3 业界尚无一致的规格标准 由于晶圆级芯片尺寸封装的尺寸及引脚排列会随着不同公司或设计而有所改变 这将造 成印刷电路扳商在配合上的困难 若该芯片没有一定的市场规模 印刷电路板商可能因成本 的顾虑 未必配合生产制作所需的基板 而导致品圆级芯片尺寸封装发展受到阻碍 四 晶圆级芯片尺寸封装的市场及应用 虽然晶圆级封装的应用领域比较广 可以广 泛麻埘于许多种集成屯路中 但是 我们在 考虑此种封装技术应用于市场时 除了考虑其出色的电性能之外 还不得不考虑成本的因素 在半导体产业 成本决定一切 没有相当的成本优势 一种技术是很难被酱及廊 l j 的 就目 前品圆级的应用情况来看 其土要的应 l i j 领域可以分为两类 1 0 上海交通m b a 学位论文品圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的麻用 一种是应用于便携式产品中 例如手机 p d a 笔记本电脑中 由于这些产品对于芯片 的大小有着比较苛刻的要求 必须采用先进的封装技术以达到其产品空间的限制 例如图 3 2 为一个腕式手表的背面电路图 左边的芯片为利用传统封装技术完成的 而右边的芯片 则为用晶圆级封装技术来完成的 从图中我们可以看到 晶圆级封装的芯片大小变为原来的 四分之一左右 这样 就可以节省电路板的面积 以实现在相同的面积下能够开发更强大的 功能 或者在相同的功能时将产品设计得更加轻便短小 随着技术的进步 人们对于便携式 产品的需求也越来越大 在更小的面积下完成更多的功能是人们始终不渝的追求 随着便携 式产品的市场空间越来越犬 人们对于芯片产品的封装要求也会随之提高 这样便促使晶圆 级封装可以广泛应用于这些产品之中 图3 2 晶圆级封装的一个应用 圆级封装还有一个广泛的应用领域是存储器芯片 存储器芯片是广泛应用于电脑 手 机 消费类电子中的芯片 其市场容量相当大 大约一 整个半导体工业产值的2 0 是仅 次予中央处理器的一类芯片 存储器主要分为d r a m 应用于p c 领域 s r a m 应用于 p c 和手机等 f l a s h m e m o r y 应用于p c 手机和消费类电子中 这些芯片的封装形态人 都为传统封装中的t s o p 伴随着技术的进步 这些芯片的发展趋势是速度 频率 越来越 快和容量越来越人 在频率达到4 0 0 m h z 时 传统的封装将由于电路的寄生效府而人人降 低芯片的性能和良品率 现在 c p u 的主频率已经达剑了3 g h z 以上 但存储器芯片则大 多还保持在4 0 0 m h z 左右 已经成为制约系统速度的一个瓶颈 解决此问题 除了在晶圆 厂中采 l f j 更加先进的工艺以外 也必须有更加先进的封装形式以适应高频率人容量的需求 各个内存厂家已经发展了多种新的封装形态 以适应新一代内存产品对频率和其它电性能的 要求 例如 我们在市场上可以看剑t b g a w b g a 还有b l p 等新的封装方式的内存产品 但是 晶圆级封装将是此解决方案中的一个最住候选 采川品圆级封装的存储器产品 由于 l l 上海交通m b a 学位论文品圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 引脚到芯片的距离达到了理论上的最小距离 这样可以将电路的寄生效应减至最低 目前最 高的频率可以达以2 g i i z 以上 远远地优于目前的t s o p 封装 也较在传统封装基础上改良 的b g a 封装要好 在大批量生产时 晶圆级封装要比传统封装更加具有成本的优势 可以 很容易地被消费者所接受 t 筹 舻f 嚣 l 罄 跚啭t 脚 d 蕊 r 1 1 镕 氍潮 1 鼍r 霄 h o w r i 错 辄2 i 耱m i g 髓 女 时d 神辨 f o 翻 盛a b a t l a 椎蝴 献i 畦蜘嚣 b a m e i 翱一 岫 l l j 自簖l 轴封0 k 瓣 耱e 摧j 自口 目前辅b j 娃s 销锄尊 静 甜 继 磷钉 h h 扫 攀i o a 0 h h 批n 螂瓣 0 f i托r0 豁轨 删 轨颤l0 i r l a 0 a 瓤l0 m 锄 d 0 砒 目目 曛 0 h m0 m g n a l o 0 潮m o 袁3 2 几种不同封装形式的性能比较 表3 2 为采用不同封装形式的d r a m i i i 通常用于p c 的内存 芯片封装形式在技术性能 上的比较 从表中不难看出 品圆级封装戍 h j 于储器产品中在技术上将有得天独厚的优势 并且由3 存储器产品是一种标准化 广泛运用的产品 很适合人规模生产 这样 采用品圆 级封装的存储器产品可以将成本将到最低 第二节晶圆级封装的技术评估 熊彼特把创新定义为一种生产函数的转移 或是一种生产要素与生产条件的新组合 其 目的在于获取潜在的超额利润 技术创新可以概拓为以下五种形式 l 生产新的产晶 2 引入新的生产方法 新的t 艺过程 3 开辟新的市场 4 开拓并利用新的原材料或 卜制成 品的供给来源 5 采用新的组织方法 显然 晶圆级封装是采用一种全新的封装形式 升没有开创一种新的产品形式 其技术 创新属于j 艺创新 在促成品圆级封装产生的冈素中 既有市场拉动的冈素 也有技术推动的因素 是两方 1 2 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 面的相互作用 才使晶圆级封装在技术上可行 并且在市场上可以得以应用 一方面 电子 产品的发展趋势在朝更小的更方便携带的方向转变 这就需要集成电路产品可以做得更小 功能更强大 而传统的封装方式的面积要大于芯片尺寸四倍共至十倍以上 已经不能够满足 人们对产品的需要 势必需要开发新的封装形式以适应未来的产品趋势 男一方面 技术创 新往往是多个技术综合和沉淀的结果 并且必须在关键的技术上有所突破 晶圆级封装的产 生 其理论基础可以追述到1 9 6 0 年代 但是由于技术和成本的限制 一直无法解决大批鼍 生产的矛盾 在金属凸块和基板的材料上有了技术突破后 才得以此项先进封装技术得以广 泛应用 如同每一个产品都有生命周期一样 每一项新技术也有其从开发到市场应用 再剑退出 市场的一个周期的过程 在半导体行业 技术更新非常迅速 往往有多项技术应用于同一领 域 而技术的生命也并不依据完整的生命周期理论 有许多技术在萌芽时便被市场所无情地 淘汰 但是 我们依然可以根据市场主流的封装技术 列出一个大概的技术生命路线 见图 3 3 w l p t s o p b g a f c c s p s o p s o i s o jp l c c p g a l c c c d 口 m e t a lc a n 图3 3 各种不同封装形式的生命周期 从图中可以看出封装技术发展的一般的规律 即其引脚由针式 d i p 发展剑贴片式 s o j 再发展到球状 b g a w l p 从芯片两面引脚 d i p 发展到四面引脚 q f p 再到芯片的底面矩阵型引脚 b g a w l p 而封装的尺寸则越来越小 由原来芯片面积的 十倍到现在的与芯片的面积相同 技术的生命周期人概经历以下的五个过程 萌芽期 e m e r g i n g 成长期 g r o w t h 成 熟期 m a t u r i t y 衰退期 d e c h n e 和退出市场 p h a s eo u t 每一个时期所表现的技术特 征和市场特征都是不同的 同时 公司所应该采取的市场策略和财务政策也是不同的 在萌 1 3 上海交通m b a 学位论文品圆级封装技术对 导体产业的影响及在中国的应用 芽期 技术展现了其良好的发展前景 但是由丁二标准尚未完成 技术上依然有一些不确定性 其市场占有率比较小 公司应当采取观望或者是小额投资以保留竞争的资格 在成长期 技 术的标准已经完成 可以进行大批鼍的生产 同时 市场也逐渐开始采用此项新技术 其成 长速度非常快 公司要相应地进行大规模的投资 争取在新技术的战场上保持领先 在成熟 期 技术已经相当地成熟 许多公司都已经掌握到了其精华 并且 市场的容壤已经达剑了 一个上限 公司间的竞争行为表现为价格战 此时 公司应当谨慎投资 发挥现有的技术优 势 争取更大的市场份额 在衰退期 技术可能由于新技术的涌现而开始丧失竞争力 或者 由于虑川市场的萎缩而无法继续扩大市场 开始步上了退出市场的道路 许多公司也开始将 兴趣点转向新的技术或者是市场 最后 一项技术被新技术所替代 而完成了其生命周期的 演化 晶圆级封装其本质是b g a 封装 外观 和f l i p c h i p 连接工艺 以及c s p 大小 这 三种封装形式的一个综合体 其技术从1 9 9 5 年开始正式走出实验室 主要的应用为功率器 件 但是由丁 其成本在功率器件上面没有竞争力 一直没有得到大规模的应用 直到最近两 年 许多厂商看到了其在便携式芯片和存储器芯片中的优势 开始对此项新的封装技术进行 了投资 经历了近几年的发展 品圆级封装仍处丁i 萌芽期 但却显现了极好的成长性和潜力 随着人们对此项技术的越来越多的了解和认同 其应 l j 将逐渐被客户所接受 以过渡到成长 期和成熟期 任何技术都不可能长盛不衰 晶圆级封装也可能有朝一日被成本更低性能更优 的封装技术所替代 但是从半导体封装技术的发展历史来看 封装的主流技术更新换代并不 像晶圆制造的工艺那样更扶那样快 一项封装技术从开始步入市场到退出历史 往往需要 1 0 年甚至2 0 年以上的时间 相比之f 晶圆级封装的生命周期应该至少还有1 0 年的时间 最关键的是 晶圆级封装能不能成为未来封装的主流技术 有理由相信 封装工艺从打线向 金属凸块过渡将是人势所趋 金属凸块技术的性能要比传统封装有绝对的优势 而成本则随 着新材料的开发和使用以及产量的提升 必然会降到具有与传统封装相比有竞争力的地位 对于多引脚的芯片 倒装芯片封装技术 f l i pc h i p 将是一个不二的选择 而对丁 少引脚的芯 片 晶圆级封装将有相当的竞争力 可能成为主要的封装形式之一 1 4 上海交通m b a 学位论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的席用 第四章晶圆级封装技术对半导体产业的影响 本章将利用供应链的理论来分析晶圆级封装其半导体产业相关的供应链中的各种厂商 的影响 由于品圆级封装技术引入了与传统封装完全不同的手段 有重人的工艺突破 将会对整 个半导体产业 由其是封装业带来重大的影响 即便上游晶圆厂 下游的电子厂 以及封装 设备和材料供应商 都会面f 临一个难题 是勇敢地跟进新技术的发展 还是继续原有的技术 路线 争取做到成本更低的优势 以下我们将逐项分析晶圆级封装对半导体产业内各类企业 造成的影响 第一节对上游晶圆厂的影响 在晶圆级封装的j 艺中 其封装及测试都在晶圆片上完成 并且也采用了 品圆制造的 工艺 从生产的角度来考虑 晶圆厂 w a f e r f a b 可以非常方便的进行品圆级封装的改造 有一些设备基本上不用更换便可用于晶圆级封装中 而有一些设备则需要作一下改造 仍可 由原设备供应商米提供 在封装材料方面 也有许多与晶圆生产类似之处 例如都需要有显 影的过程 都需要显影液 d e v e l o p e r 都有光刻 l i t h o g r a p h y i 溅镀 s p u t t e r 的过程 所需要 的材料也是基本相同的 如果晶圆制造与封装都在一个工厂完成 将有一个主要的女 处是可 以提高产品的可控性及质鼍 因为在此两种生产工艺中 都需要在1 f 常苛刻的条件下完成 保持相当高的空气纯净度 这样 实际生产中可以将生产完成的品圆 w a f e r 直接流片剑封 装 将可能的污染和干扰减少剑最低 由于采用了很相似的上艺 晶圆厂的技术水平也更容 易转移到晶圆级封装 许多人才可以直接加以任用 使公司转换技术的经验曲线更平缓 从技术角度上来讲 品圆厂很容易过渡剑品圆级封装 从而达剑业务纵向整合的目的 但是 晶圆厂将不得不面对业务模式转换所带来的危险 许多下游的封装测试厂将成为直接 的竞争对手 如果没有封装测试厂在业务上的联盟作 l 晶圆厂也很难将整个半导体的通路 解决方案做通 最为天键的是 此种整合将破上1 品圆厂代工模式赖以生存的柔性制造系统 1 5 上海交通m b a 学付论文晶圆级封装技术对半导体产业的影响及在中国的应用 前文已经分析 并不是所有的集成电路都适合采用晶圆级的封装 以目前的晶圆级封装的市 场来看 还