半導體製造需要更具彈性的策略

作者 : Syed Alam,EE Times特約作者

5G、物聯網(IoT)、自動駕駛等新應用帶來的半導體商機持續湧現,再加上晶圓代工模式經證實是成功可行,促使半導體業者重新思考他們的成長與製造策略。

雖然在半導體產業發展初期,自有製造有其意義,但隨著產業整併與晶圓代工業者能提供加速上市時程的優勢,半導體領導業者完全不需要用到自家晶圓廠也能取得成功,讓今日大多數IC廠商選擇不再擁有晶圓廠──他們也不需要。

晶圓代工廠能提供客戶所需的生產規模、廣度與多樣性──事實上包括Facebook、Amazon與Apple等非半導體業者,現在也在利用無晶圓廠模式設計自有晶片進行垂直整合。

包括5G、物聯網(IoT)、自動駕駛等新應用帶來的半導體商機持續湧現,再加上晶圓代工模式經證實是成功可行,促使半導體業者重新思考他們的成長與製造策略。

先進封裝

半導體製造價值鏈正由複雜的IC /矽晶圓製程轉向諸如2.5D、3D IC、扇出式封裝(Fan Out)與系統級封裝(SiP)等等先進封裝技術,目標是透過垂直堆疊的模組化零件來降低成本、實現客製化並改善良率,避開半導體製程的限制。

已有數十年發展歷史、讓晶圓產能加倍成長的摩爾定律(Moore’s Law)雖仍「健在」,卻已經無法像以往那樣為越來越多樣化的客戶群提供令人信服的優勢。客戶正在尋找更大程度的客製化方案,以滿足越來越多的特定市場需求──他們不一定要最小、最先進的晶片,這意味著半導體業者能最佳化製造,在客戶需求與晶圓成本之間達成平衡。

美國智庫CEST (Center for Security and Emerging Technologies)最近公佈的一個研究模型顯示,採用5奈米製程的單片12吋晶圓成本約為1萬7,000美元(約48萬台幣)。對於各家半導體業者來說,若能避免這樣高的成本會是一個非常顯著的優勢。

再加上這些業者們也意識到,並不是所有東西都非得要「塞」進單一顆晶片,他們正專注於迎合應用與客戶需求的模組化設計製造創新,而不是尋求最先進的製程節點。關鍵在於打造10~15個模組化功能區塊,能被不同產品的設計採用,以滿足眾多應用需求。利用這種方法,優先性與技能集(skillsets)轉移至工程互通性、品質與可靠度。

舉例來說,轉向5G通訊需要更高良率的無瑕疵創新晶片,因為5G訊號的敏感性,工程師必須確保晶片周遭環境獲得適當控制,以消除雜訊與訊號干擾。透過模組化方法,工程師能確保晶片在被設計應用的環境中實現最高性能。

後段製程技術的進展對於產業的前進非常關鍵,過去大多數投資都是在前段製程,後段製程更多是事後才有的想法。現在,隨著新的品管能力(quality capabilities)之實踐,後段製程受到越來越多的關注。品管部門偵測並找出缺陷是複雜任務,但也能受惠於在那些模組中利用較舊、較穩定的技術,讓他們專注在新的品管與可追溯性需求。

舉例來說,雖然晶片品質會聚焦於較舊、較耐用的技術上,其重要性也會更為顯著。多晶片的結合意味著任何單一故障會帶來更高的成本,並且需要額外的謹慎以確保可追溯性,以及需要追蹤模組化晶片從晶圓到終端成品的所有部份。

汽車與工業物聯網

除了5G,汽車與IoT應用市場也將帶來相當程度的成長商機,但是這類應用的製造需求會與桌上型/筆記型電腦、高性能運算伺服器等應用大不相同。

舉例來說,一輛新車的上百個互連控制單元中,最多會有8,000顆主動式半導體元件,隨著未來的車輛加入更多安全性、資通訊娛樂與連網等等新功能,該數字還會繼續增加──像是藍牙連結與支援自動駕駛的感測器、攝影機。

因為攸關人命,這類應用不能容忍故障;例如在汽車應用中,最關鍵的需求是要能在非常寬廣的溫度變動範圍內,達到超高可靠度與可操作性。此外,車用半導體晶片必須要能維持10~12年,這讓產品的高品質與長壽命比最先進製程節點更重要。

對工業物聯網(IIoT)應用來說,彈性(resiliency)亦至關重要。舉例來說,安全、有效率運作的鑽油機需要採用多重感測器,這些零件不但得具備成本效益與高可靠度,而且是被應用於可能無法立即替換的環境中。

我們可以預期,先進封裝也將助益其他IIoT應用領域,像是持續領先的電信與基礎設施市場。根據市場研究機構Quince Market Insights的預測,全球IIoT市場將從2020到2028年以21.3%年複合平均成長率(CAGR)的速度擴張,而製造領域的進展會是其中一個關鍵推動因素。

隨著半導體晶片在一系列持續擴展的應用領域之成長,各種類型的製造都將有其用武之地。較舊的技術具備非常高的彈性,在模組化封裝中結合那些經證實的技術以及更先進的技術,能打造創新設計,有助於確保品質並降低成本。

 

編譯:Judith Cheng

(參考原文:The Future of Semiconductor Manufacturing,By Syed Alam;本文作者為顧問公司Accenture半導體部門的全球負責人,具備超過十年的資歷,專長為半導體、電子與高科技業者提供營運轉型與整併的策略建議)

 

 

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