ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Пандемия COVID‑19: цифровая трансформация и цепочки поставок Министерства обороны США

Краткий обзор работ в области 5G и значение миллиметрового диапазона

Новый проект ЕС в области корпусирования оптики, фотоники и электроники

3-нм топологии: размытие границ между SoC, модулями и платами

Ожидается рост доли автомобильных SiC мощных приборов в общих продажах SiC-устройств

Разработка новых классов 2,5D- и 3D-модулей и методик корпусирования

IMEC разрабатывает процесс интеграции 2D-материалов на 300-мм пластинах

Будущее ДОЗУ

Литография: восходящее формирование рисунка

Пять тенденций, меняющих микроэлектронику

Нарастание проблем при масштабировании схем памяти

Материалы ISSCC‑2021: чиплеты

Изменения в индустрии кремниевых заводов

Некоторые аспекты развития 3D‑флэш-памяти NAND-типа

Динамическая флэш-память от Unisantis Electronics

Преимущества и недостатки чиплетов

Перспективы рынка и технологий корпусирования ИС

Перспективы рынка и технологий корпусирования ИС

Выпуск 1(6725) от 14 января 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Развитие перспективных методов корпусирования неразрывно связано как с дальнейшим масштабированием ИС, так и с освоением методов 2,5/3D-интеграции разнородных кристаллов. На рынок все активнее выходят фирмы, использующие бизнес-модели, отличные от традиционной модели сборки, корпусирования и тестирования ИС.

Замедление действия закона Мура приводит к тому, что переход на перспективные технологические процессы с меньшими проектными нормами больше не приносит желаемого уровня экономических выгод. Одновременно инвестиции в НИОКР, новые технологии и оборудование литографии, а также затраты на разработку базовых технологических процессов и конструкций с размерами топологических элементов менее 7 нм быстро растут. В таких условиях возможность повышения ценности продукта (рост производительности при снижении издержек) может быть достигнута за счет использования перспективных методов корпусирования, которые обеспечивают преимущества не только в масштабировании, но и в наращивании функциональности в соответствии с разнообразными маршрутными картами.

Расширенное внедрение перспективных методов корпусирования также связано с необходимостью повысить уровень интеграции и с развитием таких мегатенденций, как большие данные, искусственный интеллект (ИИ), сети и средства связи 5G, высокопроизводительные вычисления (high-performance computing, HPC), Интернет вещей (в том числе промышленный Интернет вещей), интеллектуальные автомобили, Индустрия 4.0 и центры обработки данных (ЦОД).

Электронное аппаратное обеспечение, необходимое для поддержки этих мегатенденций, должно характеризоваться большей вычислительной мощностью, высоким быстродействием, увеличенной пропускной способностью, низкой задержкой (малым временем ожидания), малой потребляемой мощностью, большей функциональностью, большей емкостью памяти, интеграцией системного уровня, большим числом различных датчиков, а самое главное – ​низкой стоимостью. Новые движущие факторы развития (мегатенденции) будут порождать новые бизнес-возможности для разных платформ корпусирования, а сами перспективные методы корпусирования демонстрируют потенциал удовлетворения многочисленных требований к производительности и сложных потребностей гетерогенной интеграции.

Перспективные методы корпусирования стали решающим фактором инноваций в области полупроводниковых приборов. В частности, они необходимы для преодоления разрыва масштабирования между кристаллом и печатной платой. Полупроводниковая промышленность продолжает разрабатывать продукты в соответствии с маршрутными картами масштабирования и маршрутными картами наращивания функциональных возможностей. При этом маршрутная карта масштабирования предусматривает выход на проектные нормы 7 нм и менее, несмотря на то что осуществлять масштабирование до таких уровней способны только три корпорации (TSMC, Samsung и Intel), а темпы масштабирования замедляются. Маршрутная карта наращивания функциональных возможностей ориентирована на гетерогенную (разнородную) интеграцию и перспективные методы корпусирования. Значение подобных маршрутных карт растет. Действительно, перспективные методики корпусирования обес-печивают увеличение ценности полупроводниковых приборов за счет расширения их функциональности, сохранения и роста производительности при одновременном снижении стоимости.

В настоящее время разрабатывается широкий круг «систем-в-модуле» (system-in-package, SiP), ориентированных и на старшие, и на младшие модели (соответственно, наиболее и наименее производительные в своих семействах) различных конечных электронных систем, таких как потребительская электроника, высокопроизводительная техника, специализированные применения и т. п. Все подобные модули призваны удовлетворять потребности, связанные с гетерогенной интеграцией, – ​таким образом обеспечивается рост функциональности конечных систем и сокращается цикл их вывода на рынок. Все это оказывает возрастающее давление на поставщиков услуг корпусирования, особенно с учетом растущей степени подстройки под требования каждого конкретного клиента. Для того чтобы соответствовать требованиям к производительности следующего поколения аппаратного обеспечения, поставщики услуг перспективного корпусирования должны непрерывно поддерживать инновационный процесс в области соответствующих технологий, материалов и оборудования. В самом деле, освоение перспективных методов корпусирования ускорило потребность в прорывных технологиях смежных областей, таких как технологии производства подложек, методы монтажа ИС в корпус, испытательная техника. Для обеспечения общего роста перспективных методов корпусирования требуются существенные инвестиции в разработку следующего поколения инструментальных производственных средств, таких как системы гибридного соединения кристалла к кристаллу, кристалла к пластине, термокомпрессионной сварки (thermo compression bonding, ТСВ), лазерной сварки (laser assisted bonding, LAB) и т. п. Маршрутная карта развития перспективных методов корпусирования с точки зрения плотности расположения устройств ввода–вывода по отношению к опорной площади модуля приводится на рис. 1.

Ключ к реализации перспективных технологий 2,5/3D-этажирования, а также интеграции разнородных систем – ​технологии непосредственного соединения кристаллов и кристалла с пластиной (гибридное медное соединение). Эти технологии обеспечивают достижение ультрамелкого шага (менее 10 мкм) межсоединений, позволяют отказаться от этапов неполного заполнения (underfill), металлизации под столбиковым выводом (under bump metallization, UBM) и нанесения припоя, что, в конечном счете, позволяет значительно снизить высоту конструкции. Основные поставщики услуг корпусирования либо разработали подобные технологии собственными силами (например, технология корпорации TSMC «система-на-ИС» – ​system-on-IC, SoIC), либо лицензировали гибридные технологии (DBI hybrid и DBI ultra hybrid bonding) у корпорации Xperi (так поступили SK Hynix, UMC, Tower Semiconductor и др.). В области материалов очевидно желание разработать новые диэлектрические материалы, формовочные компаунды, материалы для неполного заполнения и паяных межсоединений, а также теплообменные материалы (TIM), соответствующие жестким требованиям к производительности и надежности, предъявляемым оборудованием следующего поколения.


После 2025 г. доходы от перспективных методов корпусирования превысят доходы от традиционных методов

В 2019 г. общий объем рынка корпусирования ИС составил 68 млрд долл., при этом на сектор перспективных методов корпусирования пришлось 29 млрд. Ожидается, что среднегодовые темпы роста объема этого сектора в сложных процентах (CAGR) за период с 2019 по 2025 г. составят 6,6%, а объем в конце прогнозируемого периода – ​42 млрд долл. В то же время CAGR сектора традиционных методов корпусирования будет находится на уровне 1,9%, а CAGR рынка услуг корпусирования в целом – ​4%. Объемы доходов в 2025 г. достигнут 43 млрд и 85 млрд долл. соответственно. Специалисты исследовательской фирмы Yole Développement (Лион, Франция) отмечают, что CAGR сектора перспективных методов корпусирования в 2014–2025 гг. продемонстрирует 6,1%. Таким образом, объем доходов от оказания услуг методами перспективного корпусирования более чем удвоится – ​с 20 млрд долл. в 2014 г. до ~$42 млрд в 2025-м (рис. 2). Это почти втрое превышает ожидаемый в 2014–2025 гг. CAGR рынка традиционных методов корпусирования, который оценивается в 2,2%.

В 2020 г. емкость рынка перспективных методов корпусирования из-за влияния пандемии COVID‑19, как ожидается, сократится на 6,8%. Тем не менее этот рынок в 2021 г. восстановится с ростом ~14%. Самые высокие значения CAGR ожидаются в сегментах 2,5/3D-корпусирования с применением технологии TSV, корпусирования с высокой плотностью расположения элементов (многослойные подложки) и корпусирования с разветвлением (FO-WLP) – ​21,3, 18 и 16% соответственно. Это объясняется активным освоением корпусированных при помощи данных методов ИС на различных рынках. Например, FO-метод получает все более широкое распространение в мобильных, сетевых и автомобильных системах; 3D-корпусирование – ​в средствах искусственного интеллекта и машинного обучения, высокопроизводительных вычислениях, ЦОД, КМОП-формирователях сигналов изображения и 3D-флэш-памяти NAND-типа; корпусирование с высокой плотностью – ​в автомобильных и мобильных системах, а также в базовых станциях.

Наибольший спрос на ИС, корпусированные с применением перспективных методов, предъявляют производители мобильных и потребительских электронных систем – ​на них в 2019 г. пришлось 85% общего объема выручки поставщиков услуг перспективного корпусирования (в период до 2025 г. CAGR здесь составит 5,5%). Тем не менее их доля в 2025 г. сократится до 80%. Наибольшие CAGR спроса на услуги перспективного корпусирования ИС продемонстрируют поставщики телекоммуникационного и инфраструктурного оборудования – ​~13%. Доля этого сектора в доходах от услуг перспективного корпусирования увеличится с 10% в 2019 г. до 14 к 2025-м. На втором месте по CAGR (10,6%) окажется сектор автомобильных и транспортных систем: стоимость перспективных услуг корпусирования для них в 2025 г. достигнет ~1,9 млрд долл.

С точки зрения методов перспективного корпусирования наибольшая доля выручки в 2019 г. пришлась на технологию монтажа и корпусирования методом перевернутого кристалла (flip-chip) – ​~83%. Однако ее доля на рынке к 2025 г. снизится до ~77%, тогда как доля технологий 3D-этажирования и FO увеличится с ~5% у каждой в 2019 г. до 10 и 7% соответственно в 2025-м. Эти две технологии будут демонстрировать CAGR ~21 и 16% соответственно – ​их внедрение ожидается в самых разных приложениях. Рост услуг корпусирования с 3D-этажированием обусловлен растущей популярностью 3D-схем памяти (HBM и 3D DDR ДОЗУ), технологий разделения кристаллов на основе 2,5D-интерпозеров и гетерогенной интеграции, 3D-«систем-на-кристалле» (SoC), технологии Foveros, 3D-схем флэш-памяти NAND-типа и этажированных КМОП-формирователей сигналов изображения. Ожидается, что рынок FO-корпусирования также продемонстрирует устойчивый рост, поскольку на него выйдут игроки с разными бизнес-моделями. Что касается технологии корпусирования с перераспределением (FI-WLP), то ее распространение ограничено в основном мобильными устройствами. Ожидаемый CAGR в течение 2019–2025 гг. – 3,2%. В то же время CAGR технологии встраиваемого кристалла (еmbedded die), несмотря на небольшой размер рынка, составит в течение следующих пяти лет 18%, а спрос будет определяться такими рынками, как телекоммуникационное и инфраструктурное оборудование, автомобильные и мобильные системы.


Поставщики OSAT-услуг сильно дифференцированы

Анализ ситуации на рынке аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию полупроводниковых приборов (outsourced semiconductor assembly and test, OSAT) за 2019 г. показывает растущий разрыв между восемью ведущими фирмами и остальными игроками (рис. 3). Ведущие OSAT за счет крупных инвестиций сумели оторваться от конкурентов. Фирмы в нижней части рейтинга подвергаются более высокому риску, если только не обладают дифференцирующими технологиями или интеллектуальной собственностью, повышающими ценность компании при осуществлении сделок слияния и поглощения в качестве стратегии выхода из тяжелой ситуации.

В 2019 г. корпорация ASE стала крупнейшим поставщиком OSAT-услуг с доходами в 13,7 млрд долл. благодаря завершению процесса приобретения фирмы SPIL. Капиталовложения ASE в 2019 г. составили ~1,8 млрд долл., более чем в три раза превысив расходы следующих за ней крупнейших OSAT – ​JCET (503 млн долл.) и Amkor (472 млн долл.). На четвертом месте находится TSMC, крупнейший в мире кремниевый завод, доходы которого от OSAT-услуг в 2019 г. составили около 2,8 млрд долл. – ​за счет расширения технологий CoWoS и InFO, ориентированных на HPC и 5G.

Тайваньские компании продолжают наращивать контролируемую ими долю рынка OSAT – ​в 2019 г. она достигла 55%. Общая выручка поставщиков OSAT услуг в 2019 г. увеличилась до 28,1 млрд долл. по сравнению с 27,9 млрд в 2018 г., причем доходы ASE составляют почти 50% от общей выручки OSAT. Совокупная доля первых трех фирм, ASE, Amkor и JCET, соответствует 74% всего объема рынка OSAT. Расходы поставщиков услуг OSAT на НИОКР в 2019 г. выросли до 1,31 млрд долл. по сравнению с 1,29 млрд в 2018-м, несмотря на вялый спрос в I полугодии 2019 г. Капитальные затраты OSAT-фирм в 2019 г. остались на уровне 2018-го – ​около 5,5 млрд долл. Существует огромный разрыв в расходах на НИОКР между шестью ведущими фирмами, которые тратят на эти цели более 50 млн долл. каждая, и остальными, причем ASE – ​единственный игрок, тратящий на НИОКР более 500 млн долл. Еще 10 из 25 ведущих поставщиков услуг OSAT тратят на НИОКР менее 10 млн долл. каждый. Однако для поддержания конкурентных преимуществ требуется постоянно инвестировать в новые технологии. В долгосрочной перспективе игроки, вкладывающие в НИОКР меньшие средства, не смогут поддерживать собственную конкурентоспособность. Выбор у них ограничен: либо больше инвестировать в НИОКР, либо планировать приобретение других фирм, обладающих нужными технологиями, либо быть готовыми к тому, что приобретут их самих.


В сферу перспективных методик корпусирования приходят фирмы с альтернативными бизнес-моделями

В сфере услуг сборки и корпусирования, которая всегда была областью деятельности OSAT и традиционных вертикально-интегрированных производителей полупроводниковых приборов полного цикла (integrated device manufacturers, IDM), происходит сдвиг парадигмы. На рынок выходят поставщики, использующие другие бизнес-модели, и поглощают долю OSAT-поставщиков (рис. 4). К «новичкам» относятся кремниевые заводы, поставщики подложек и печатных плат, EMS /ODM. Методики перспективного корпусирования переходят с платформ подложек на кремниевые пластины, что дает возможность таким гигантам полупроводникового бизнеса, как TSMC, Intel и Samsung, использовать в данном сегменте свои производственно-технологические преимущества и стать основными разработчиками инновационных методов корпусирования ИС. TSMC, в частности, стала лидером в широкой области разработки инновационных перспективных платформ корпусирования – ​от InFO до 2,5D-корпусирования с использованием кремниевых интерпозеров (CoWoS) и 3D SoIC.

В текущем рейтинге доходов от услуг корпусирования TSMC занимает четвертое место среди поставщиков услуг OSAT. Другие кремниевые заводы, такие как UMC, SMIC, Global Foundries и XMC, также осуществляют инвестиции в перспективные технологии корпусирования. Крупнейшие OSAT (ASE/SPIL, Amkor и JCET) наращивают капиталовложения в различные передовые технологии корпусирования, такие как «система-в-модуле» (SiP) и FO-WLP. Их цель – ​поддержать и нарастить собственную конкурентоспособность, сохранить и увеличить свою долю рынка перспективных методов корпусирования. Производители подложек IC и печатных плат, такие как SEMCO, Unimicron, AT&S, Shinko, выходят на рынок перспективных методик корпусирования с «панельными» FO-решениями (FO на больших подложках) и встраиваемыми кристаллами (и пассивными компонентами) в органических подложках. Крупнейшие разработчики ПО, такие как Google, Microsoft, Facebook, Alibaba и т. д., разрабатывают свои собственные процессоры, чтобы получить контроль над интеграцией и кастомизацией системного уровня, а также цепочкой поставок вплоть до операций сборки и корпусирования. EMS-фирмы, такие как Foxconn и Jabil, инвестируют в возможности сборки и корпусирования, для того чтобы продвинуться вверх по цепочке создания стоимости к более высокому уровню добавленной стоимости.

Ведущие поставщики услуг OSAT, со своей стороны, также пытаются выйти за пределы своей традиционной области – ​они инвестируют в развитие возможностей тестирования ИС, чтобы захватить сегмент рынка тестирования. С другой стороны, фирмы, специализирующиеся на тестировании ИС (testing houses), такие как KYEC и Sigurd Microelectronics, теперь наращивают свои возможности, расширяя сервисные предложения за счет услуг сборки и корпусирования, технологии которых получены посредством сделок слияния и поглощения или реализации программ НИОКР.


Kumar Santosh. Status of the Advanced Packaging Industry. Semiconductor Digest, December 1, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/12/01/status-of-the-advanced-packaging-industry/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.