小型晶圆厂和封装厂“夹缝”生存现状

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来源   /   semiengineering；荣格电子芯片翻译

作者   /   Bryon Moyer

 

在半导体行业中，高产量的产品往往会得到更多的关注，但大多数芯片并不属于这一类别。虽然少数大型芯片制造厂和海外组装和测试（OSAT）厂商能够处理大量芯片，但小型芯片制造厂和封装生产线则适用于较低的产量、专门的技术和原型制作。

“有些公司每季度只生产25片晶圆，”半导体行业协会（SEMI）的芯片所有者联盟（Fab Owners' Alliance）和微机电系统与传感器行业组织（MEMS & Sensors Industry Group）执行董事蒂姆·布罗西尼汉（Tim Brosnihan）表示。“这些产品仍有很好的市场需求。对于利基和定制产品来说，利润率更高。”

如今，绝大多数芯片都采用标准CMOS逻辑和传统封装。但许多行业需要大型晶圆厂和OSAT厂商可能不愿提供的服务。然而，对这些服务的需求依然强劲。这些服务通常针对专门的高利润产品，其中一些（但并非全部）需要特殊处理。这使得小型制造商得以生存。

 

Part 1

并非所有公司都需要大批量生产

数以百万计的微处理器、图形处理器（GPU）、智能手机应用处理器和内存单元飞出工厂大门。所有人都在关注它们，因为其占据了出货量的大部分。但它们只代表了工程活动的一小部分，其他各种芯片的出货量则相对较小。

这一现象在军事和航空（mil/aero）系统中尤为明显，该系统对芯片的消耗量较低。“国防工业使用了很多专用半导体，而且需求量很小，”布罗西尼汉说。mil/aero的一个特点是，它通过国防高级研究计划局（DARPA）推动了许多长期和有时是前沿的技术路线图，但这一领域在采用技术时仍保持谨慎，以确保可靠性和可用性。

许多其他技术的出货量也较低。“有专注于光电子和化合物半导体制造的公司，它们不需要像其他一些大型公司那样推动高产量，”JST的首席执行官扎尔诺表示。虽然像健身追踪器这样的可穿戴设备需要具备足够的可靠性，但那些需要获得FDA批准、能够真正声称进行准确诊断或治疗疾病的产品的出货量要小得多。关键是成品要有足够的利润空间，而封装过程往往是创造价值的关键因素。

普罗米克斯工业公司（Promex Industries）的COO戴夫·弗罗姆（Dave Fromm）认为，“有些行业中，实际设备的价值远高于物料清单（BOM）的价值。如果我在制造一种可植入的医疗设备，那么它内部可能只有价值10美分的组件。但这种设备本身就很有价值，因为它必须能够正常工作，并且必须具备可靠性，确保它在你想要它工作的时候能够正常工作。”

大多数传感器的销量并不高，但也有一些例外。“手机中的麦克风每年的销量高达数十亿个，”布罗西尼汉说。“但还有很多其他传感器的产量要小得多。”惯性测量单元（IMUs），即加速度计和陀螺仪的组合，也广泛应用于手机中。其余的则通常用于更专业的设备，如工业机器。例如，导航级IMU的价格远高于消费级产品，但其精度也足以实现精确导航，而非仅是粗略导航。“导航级IMU的产量确实要低得多，通常在小型晶圆厂生产。”布罗西尼汉说道。

其他低产量技术包括光子学和电力电子学。然而，有一个市场令人惊讶地没有考虑到太多低产量硅片——大学和研发实验室。尽管设备制造商可能会向他们出售一些低产量设备，但销量微乎其微（当然，这些客户不会将硅片用于营收）。

 

Part 2

产量和混合

高产量通常能够获得最先进的硅片加工技术的使用权。虽然这会影响可用的设备和加工方式，但还有一个更基本的控制参数——晶圆尺寸。主流高产量市场的大多数设备都在300mm晶圆上制造芯片。其好处是单个晶圆可以产生大量芯片，减少了为达到相同产量所需的晶圆和批次数量。

然而，对于某些应用来说，这样的晶圆可能过于庞大。300mm晶圆的面积是200mm晶圆的两倍多，采用稳定的小尺寸晶圆流而非大尺寸晶圆的间歇性生产计划，生产安排可能更加容易。但大多数生产经验都来自300mm晶圆的大规模生产，因此这些经验现在也惠及200mm晶圆。许多添加到300毫米设备的先进技术已经被移植到200毫米设备上。

“产量”的概念在考虑产品组合时也有细微差别。“德州仪器的混合产品组合尤其高，这些产品加在一起的总产量非常高，但任何特定的放大器的产量可能较低，”布罗西尼汉说。只要这些芯片共享相似的处理技术，就可以以成本效益的方式进行生产。

一些公司，比如安森美半导体，愿意在自己的专业生产线和商业晶圆厂之间分摊生产。当设备涉及主流技术时，公司会将其外包。“如果你看看以小批量和高混合著称的安森美半导体，他们的大部分业务现在都外包给了像台积电这样的晶圆厂，”布罗西尼汉表示。“他们只保留一些特殊产品在内部生产。”

这为安森美半导体提供了更多的灵活性，使其能够绕过建造和填满晶圆厂的需要。

高产量芯片制造商可能仍然会选择性地进行一些低产量项目。“我认为台积电可能每月生产100片晶圆的产品，”布罗西尼汉说。“我不会说他们对任何可能出现的100片晶圆机会都感兴趣，但他们会选择一些可能在几年内能达到数千片晶圆/月的项目。”

 

Part 3

作为范例的低产量原型

封装正在经历比硅加工更多的新配置。越来越多的专业设备正在将多个chiplet和机械、光学元件进行混合封装。这些项目往往比硅芯片更具个性化。在那些项目中开发的一些工艺可能在未来的高产量中变得有用，而另一些则可能是项目特定的。“我们的大部分收入都来自生产，”Promex的Fromm说。“但是，如果你看一看正在进行的活动数量，大部分都涉及开发新工艺。”

原型阶段的定义是先于生产，因此产量并不能反映产品最终的出货量。对于封装来说，试点生产线可以开发和完善工艺，然后将这些工艺转移到高产量的OSATs，如果产品最终出货量超过小批量生产线所能支持的数量。

这些生产线必须能够进行各种各样的工艺。“我们将异构集成定义为在封装内将电子元件与非电子元件结合在一起，”福尔姆说。“这包括‘用机械锯和磨削设备将这些设备削薄’，”他说。“我们可以将非硅材料切成小块，磨碎。光学滤光片可能由石英、玻璃或蓝宝石制成。我们将陶瓷材料和其他类似材料切成小块。我们还可以将所有基板切成中间层尺寸。至于连接，我们有很多焊接或粘合连接小部件的方法，通过机械、电气或热连接，或者它们的某种组合。我们还有封装方法来保护这些部件。”

硅的研发通常不遵循“这里是原型，那里是生产”的模式。“[晶圆厂]通常会有一条R&D生产线，以便快速向当地客户提供尖端技术进行认证，确保他们能满足顶级客户的要求，”SEMI市场沟通总监萨默·巴霍说。布罗西尼汉表示赞同：“我最近对晶圆厂老板进行了一项调查，想知道他们在生产线上做了多少研发工作。”而几乎是人人都参与其中。

然而，晶圆厂通常会将这些生产线限制在某些正在评估的新工艺上。这样就可以在标准生产线上完成其余的加工过程。原因是，任何设备的变更都必须重新对芯片进行认证。一旦在低产量下通过认证，你就希望能够直接使用相同的设备进行大规模生产。

将研发与生产结合在一起会引发一个古老的问题，即生产经理不愿将时间让给工程部门。“现在有更好的系统来确定在工厂中分配给工程和研发多少批次以及给予它们什么样的优先级，”布罗西尼汉说。“通常，研发团队会得到一个热批次。其他所有批次都被放在标准的排队时间上。”

多项目晶圆（MPW）通常用于硅芯片原型，允许多个公司共享晶圆。然而，这只适用于芯片和IP原型，不适合低产量生产，因为安排和混合问题将无法控制。如果一家公司的芯片产量增长速度快于另一家公司，那么后者就会因为前者所需的晶圆而积累大量库存。

 

Part 4

处理小批量晶圆生产

低产量往往属于两个阵营之一——新产品引入 （NPI） 和根本不会大批量出货的产品。对于新产品导入机构，公司可能会为样品建造少量设备，并准备进行早期设计、测试和可靠性评估。对于主流产品，一些公司可能会向所有分销商备有库存，因此最初的构建可能是大量的。随着订单的到来，其他公司保守地制造设备。

由于上述重新认证原因，NPI批次几乎总是与更高的后续产量建在同一晶圆厂中。然而，有一对加拿大公司拥有独特的模式。一家名为 C2MI（MiQro 创新协作中心）的小公司负责原型设计和小批量生产。如果产量超出其管理能力，生产将转移到 Teledyne Dalsa，后者有意使其设备尽可能接近 C2MI 使用的设备，以减轻重新认证的负担。这些不是一个大公司的独立部门。“他们是有伙伴关系的独立组织，”布鲁斯尼汉说。

较低的体积也会影响设备。大型晶圆厂希望设备能够让他们尽可能快地生产尽可能多的设备。对于许多步骤来说，这意味着尽可能多的晶圆——因此，机器上的腔室。小型晶圆厂需要相同的设备，但数量较少。“你有一些更大的参与者只专注于大公司，”Zrno说。“然而，这些较小的化合物半导体制造商需要一个精密的单晶圆系统，他们不会购买24腔室的工具。”这为小型设备制造商提供了一个大型设备制造商可能不会瞄准的市场。

不幸的是，地缘政治也影响了关于在哪里建造东西的决策。军事和国防应用中使用的芯片通常由受信任的承包商在本地制造。权衡的是，当地的晶圆厂和装配厂往往更昂贵。

 

Part 5

专业化加工，专业化晶圆厂

主流代工厂不适合采用光子学和微机电系统（MEMS）等不寻常的技术。前者既涉及硅，也涉及封装。激光器需要化合物半导体，然后可以将这些激光器固定在硅芯片上或与硅芯片共同封装。“这些光子电路将引入外部光纤和V型槽，”弗洛姆补充道，以通过定位和角度可靠地固定光纤，从而有效地将光传入和传出光纤。

硅光子学可以利用任何硅工艺，但关键尺寸往往以微米为单位，而不是以纳米为单位。因此，不需要最严格、最昂贵的流程。传统工艺更具成本效益，200毫米晶圆通常可以很好地满足此类芯片的较小体积需求。

一些硅工艺，例如用于MEMS的硅工艺，因每个设计都需要新的或修改的工艺而臭名昭著。MEMS生产往往由与台积电截然不同的名称主导（尽管台积电确实做了一些小批量的MEMS工作）。“英飞凌将成为最大的MEMS麦克风传感器供应商，”Brosnihan说。“博世生产的MEMS设备比台积电还多。”意法半导体（STMicroelectronics）提供各种各样的MEMS传感器，这些传感器加起来就形成了巨大的体积。对于其他机会，设计人员可以求助于专门的MEMS晶圆厂，例如Rogue Valley Microdevices。

 

Part 6

高端硅特性和小批量是矛盾结合体

只要工艺不是太先进，小型晶圆厂就可以获得他们制造的工艺所需的设备。尽管一些设备制造商明确制造了主流晶圆厂中常见的更小、小批量的设备版本，但随着工艺的进步，存在限制，使设备更加昂贵。

昂贵设备的典型代表是ASML的极紫外（EUV）光刻步进机，每台步进机的成本可能高达2亿美元。小型晶圆厂永远无法负担这样的资本支出。这意味着小型晶圆厂将永远无法接触到最先进的硅节点。这似乎表明，需要先进硅片但小批量出货的伟大想法永远不可行，因为任何高端产品都必须大量出货或根本不出货。但事实并非如此。

对于具有足够利润量的产品来说，晶圆取芯已经成为绕过这一限制的一种方式。专用芯片主要由标准处理组成，然后在标准层之上包含少量的专用层，这并不罕见。这样做的一个典型原因是通过添加具有特殊性能的不同材料来“功能化”芯片。

由于底层是标准的，因此只要有足够的体积，它们就可以建立在晶圆厂可以处理的任何工艺上。问题是它们通常会在 300 毫米的晶圆上。后续步骤通常发生在仅适用于 200 毫米晶圆的机器中。因此，标准的300mm晶圆是“有芯”的。

“有些公司会购买300毫米高密度CMOS晶圆，将它们核心到200毫米晶圆，然后通过一些工艺运行该晶圆，在光学、传感器、光学或生物学的顶部添加材料，”Brosnihan说。这个过程既昂贵又浪费，但它是有效的。“当他们进行取芯操作时，他们会扔掉一半的硅，所以你最好赚取巨大的利润。”

但对于合适的机会，这种方法提供了获得前沿和专业处理的机会。

 

Part 7

封装正在经历更大的工艺多样性

鉴于先进封装的发展方式，封装厂面临的挑战越来越大。在封装中组装多个小芯片不再是前沿，即使与标准封装相比它仍然昂贵。但许多项目涉及进一步的挑战。对于这类产品，流程尚未稳定为标准。

“有没有一个方法可以让你拨入，然后运行一类设备，”弗洛姆问道。“就输入材料、粘合剂和其他互连材料的工艺和质量而言，随着成熟，这可能会随之而来。我们制造的许多设备都非常具体，以至于每个设备都需要一个几乎从头开始的过程。

新材料不断开发，不仅用于硅，还用于封装。其中一个主要挑战是将不同材料以稳定的、可靠的方式结合在一起，以应对温度变化。每种材料都有一个热膨胀系数（CTE），用于描述温度变化时材料的膨胀和收缩程度。

“在加工这些器件时，无论是回流焊锡还是固化胶粘剂，都会改变温度，因此你需要关注不同材料之间的CTE失配问题，”弗罗姆说。“在传统器件中，只有一两种材料，这很容易处理。当你有三种、四种或五种具有不同CTE的材料时，就比较困难了。硅的CTE与有机胶粘剂的CTE相差10到20倍。路径长度成为一个更大的问题。在更长的杠杆臂上，你对翘曲非常敏感。这些是灾难性的问题。你会损坏零件，或者在零件离开工厂后早期失效，因为它们由于应力和机械应力而存在潜在的失效问题。”

其他新的封装方法所面临的其他挑战包括共面性，因为必须在PCB或其他面板上可靠地连接多个焊球。一些封装需要有透光的窗口，或者可能有气体或液体的出口。“对于许多用于医疗生物技术的设备来说，你需要有一些类型的空气腔室或开放的窗口之类的东西，”普罗米克斯（Promex）的销售和营销副总裁罗西·梅迪纳（Rosie Medina）表示。

医疗封装通常非常专业化，尤其是对于那些将通过植入或让患者服用的方式进入人体的传感器。这些材料必须是生物兼容的，并密封以保护电子元件免受恶劣环境的影响，反之亦然。

“如果是内窥镜的一部分，会有一个业务端焊接到其他东西上，”福尔姆解释说。“然后，如果我们有可植入的设备，其外壳是某种安全的生物安全环氧树脂、胶水或其他适合在体内放置一段时间的材料，在这种情况下，外壳本身就是封装件。”

封装的NPI比硅的NPI更宽容。通常会先在本土进行小批量试产，以加快产品上市速度。与晶圆相比，样品的认证影响要小得多。“我们正在进行快速试产，”梅迪纳解释说。“客户可能会将一片晶圆送到我们的生产部门，而剩下的25片晶圆则运往海外。一旦他们拿到25个样品，就可以告诉其他人，‘是的，这是一种很好的生产方式。我们在当地进行了测试。’有些客户可能正在出售知识产权，因此我们需要建造多批次的测试车辆或装配批次，每次建造数百个单元，以便验证它们确实能正常工作。”

某些产品即使在大规模生产时也可能留在本土。“我们见过一些医疗设备，即使在大规模生产时，它们也不可能转移到海外，因为从新供应商那里引进、认证和验证并不划算，”弗罗姆指出。

但是完成一项新的封装评估可能效率低下且耗时。不同的步骤在不同的地点进行，需要对设备进行多次转移。“拥有一站式的解决方案更好，但美国没有好的先进封装实验室，”瑞萨电子（Resonac）电子业务总部执行董事阿部英典（Hidenori Abe）说。“我们有一个学习的管道。虽然我们是材料供应商，但我们需要这条生产线来测试我们的材料，然后再向客户提出建议。我们还在日本运营一个联盟，尝试不同的设备和材料能力，并希望将这一模式带到美国。”

 

Part 8

许多因素让小型供应商得以生存

虽然大型晶圆厂和封装测试服务提供商（OSATs）对小型专业厂商无所畏惧，但那些规模较小的制造商却在蓬勃发展，因为他们专注于大型芯片制造商和OSATs不愿或不能接手的项目。无论是由于特殊的加工需求、预期产量低、复杂的封装，还是敏感的政治因素，小型晶圆厂和封装生产线都在找到大量的客户。

可以把市场比作一个果园。高产量的芯片制造商和组装公司可以使用自动化技术，以高产量和高效率的方式从树上摘取容易采摘的果实。但他们永远无法得到一切。因此，其他公司可以携带专业的人员和梯子进入，获取那些被遗留下来的完好无损的水果。只要对所有水果的需求仍然存在，这两种类型的公司都可以做得很好。

这种情况似乎不太可能改变。实际上，考虑到先进的硅片加工技术已经取得了如此巨大的进步，设备也变得越来越定制化，对低产量制造的需求可能会上升。正如新兴的成熟硅节点一样，那些默默无闻的专业公司很可能会在很长一段时间内继续向上生长。

原文链接：

https://semiengineering.com/why-small-fab-and-assembly-houses-are-thriving/

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