小型晶圆厂和 封装厂“夹缝”生存现状

在半导体领域，大批量产品备受关注，但现实情况是大多数芯片并不属于这一类。由此，少数巨型晶圆厂和离岸组装与测试厂（OSAT）加工大量芯片，小型晶圆厂和封装生产线则为低产量、专业技术和原型设计服务。

 

“有些公司每季度只生产一批25片晶圆的利基（niche）产品，”SEMI晶圆厂主联盟和微机电系统与传感器行业集团执行董事Tim Brosnihan表示，“这些产品仍然有很好的市场，因为利基和定制部件的利润率更高。”

如今，绝大多数芯片都采用标准CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）逻辑和传统封装技术来生产，但仍有许多行业需要的是大型代工厂和OSAT可能不愿提供的服务。这些服务通常针对专门的高利润产品，其中一些（但不是全部）需要特殊加工。市场对此类服务需求的强劲，使得小型制造商仍有生存空间。

 

并非人人都需要大批量生产

微处理器、图形处理器（GPU）、智能手机应用处理器和存储器以数以亿计的单位发送到世界各地。几乎所有的目光都聚焦在它们身上，因为它们占了出货量的绝大部分。但同时它们只占工程活动的一小部分，其它各种芯片的开发出货量都不大。这一点在军事和航空航天（mil/aero）系统中非常明显，因为这些系统消耗的芯片数量较少。

Brosnihan指出，“国防工业使用大量的特种半导体，而且产量很小。军事/航空领域的特殊性在于，它通过国防高级研究计划局（DARPA）推动了许多长期的、有时甚至是领先的技术路线图，但这一领域在采用技术方面仍然比较保守，以确保可靠性和可用性。”

“许多其他技术的出货量也较低。”JST首席执行官Ryan Zrno表示，“光电子和化合物半导体制造商不必像我们其他一些大公司那样大批量生产。”

虽然健身追踪器等可穿戴设备需要足够可靠，但那些需要获得美国食品及药物管理局（FDA）批准，能够真正声称进行精确诊断或治疗疾病的产品，其出货量要小得多。关键是成品要有足够的利润空间，而包装过程往往是创造价值的要素。

Promex Industries首席运营官Dave Fromm也表示：“在有些行业，实际设备本身的价值远远高于BOM（物料清单）。

 

如果我在制造一种植入式医疗设备，我可能会在里面装上价值10美分的元件。但该设备的内在价值很高，因为它需要工作，而且需要具备可靠性，以确保它在任何时候都能按照你的要求完成它应该做的事情。”

“大多数传感器的销量并不高，但也有一些明显的例外。”Brosnihan解释道：“手机中的麦克风年销量高达10亿个。但还有很多传感器的产量要小得多，惯性测量单元（IMU）是加速度计和陀螺仪的组合，也被广泛应用于手机中，其余的惯性测量单元往往用于工业机器等更专业的设备。”

例如，导航级的IMU比消费级的要贵得多，但其精度也足以实现精确导航，而不仅仅是近似导航。Brosnihan认为，导航级IMU的产量肯定要低得多，而且要在较小的晶圆厂中生产。

 其他小批量技术包括光电子技术和电力电子技术。然而令人惊讶的是，大学和研发实验室这个市场的小批量硅产品并不多。虽然设备制造商可能会向他们出售一些小批量设备，但数量微乎其微。

 

产量和组合

大批量生产往往能获得更先进的硅处理技术。虽然这影响到可用设备和加工工艺的种类，但还有一个基本的控制参数--晶圆尺寸。主流大批量市场的大多数设备都在300mm晶圆上制造芯片。这样做的好处是单个晶圆可生产大量芯片，从而减少了相同产量所需的晶圆数量和加工批次。

不过，对于某些应用来说，这种晶圆可能会过剩。300mm晶圆的面积是200毫米晶圆的两倍多，如果能稳定地生产较小的晶圆，而不是按部就班地生产大晶圆，生产计划会更容易制定。但是，大多数生产学习都是在300mm晶圆的大批量生产中获得的，因此这些学习现在也在200mm晶圆上受益。许多应用于300mm设备的先进技术都被移植到了200mm设备上。

在考虑产品组合时，“销量”也会有细微差别。Brosnihan强调，特别是德州仪器公司，其产品组合非常丰富，加在一起的产量非常高，但任何特定放大器的产量都可能较低。只要这些芯片大多采用类似的处理工艺，就能以具有成本效益的方式制造出来。

一些公司，如模拟器件公司，愿意在自己的专业生产线和商业代工厂之间分工生产。当设备涉及主流技术时，公司则将其外包。Brosnihan说道：“如果你看看以小批量、高混合著称的Analog Devices，他们现在很大一部分业务都外包给了台积电等代工厂，将更多的专业产品留在公司内部。”

这为模拟器件公司提供了更大的灵活性，使其能够生产主流部件，从而避免了建立晶圆厂并保持满负荷生产的需要。
大批量芯片制造商可能仍会有选择地执行一些低产量项目。Brosniha认为，“我相信台积电可能会以每月100片晶圆的速度生产一些产品。我不会说他们对任何100片晶圆的机会都有兴趣，但他们会挑选那些可能在几年内就能提升到每月数千片晶圆产量的项目。”

 

作为小批量原型

与硅片加工相比，封装技术正在经历更多的新配置。越来越多的专用设备将多个芯片以及机械和光学元件共同封装在一起。与硅芯片相比，此类项目的设计往往更加个性化。在这些项目中改进的一些工艺可能会在未来的大批量生产中发挥作用，而另一些工艺则可能是针对特定项目的。Promex的Fromm认为，“我们的大部分收入都来自生产。但是，如果你看一下正在进行的活动的数量，大部分涉及开发新工艺。”

顾名思义，原型阶段先于生产阶段，因此产量并不能反映产品最终的出货情况。对于包装来说，试验生产线可以开发和完善工艺，如果产品最终的出货量超过了小型生产线的承受能力，这些工艺就可以转移到大批量的OSAT上。

“这些生产线必须能够进行多种工艺。”Fromm表示，“我们将异质集成定义为在封装内结合电子和非电子部件。这包括‘机械锯切和研磨这些器件，使它们变得非常薄。’”他说道，“我们可以切割和研磨硅以外的其他材料，光学滤波器可以用石英、玻璃或蓝宝石制成，还可以切割陶瓷材料等，可以将所有基板切割成内插尺寸。在连接方面，我们有很多焊接或粘合剂连接方法，可以连接小部件，进行机械、电气或热连接，或两者的组合。我们还有保护这些东西的封装方法。”

在大多数情况下，硅研发并不遵循“在这里制作原型，在那里进行生产”的模式。SEMI营销传播总监Samer Bahou说：“[晶圆代工厂]拥有一条研发线是很常见的，目的是将尖端技术迅速提供给本地客户进行鉴定，并确保它们能够满足那些顶级客户的需求。”

Brosnihan表示同意：“我最近对工厂业主进行了一项调查，以了解有多少人在生产线上进行研发。结果发现几乎所有人都在做。”

不过，铸造厂倾向于将这些生产线限制在某些特定的新步骤上进行评估。这样，他们就可以在标准生产线上完成其余的处理过程。原因是任何设备的改变都需要对芯片进行重新鉴定。一旦小批量生产合格，就必须使用完全相同的设备直接进行大批量生产。

“将研发与生产混在一起，就会产生一个老问题，即生产经理不情愿地将时间让给工程经理。”在Brosnihan看来，现在有了更好的系统，可以确定在晶圆厂中有多少批次分配给工程和研发部门，以及他们的优先级是什么。通常情况下，研发团队只负责一个热门批次。其他一切都按照标准排队时间进行。

硅芯片原型通常采用多项目晶圆（MPW），允许多家公司共享晶圆。不过，这只适用于芯片和IP原型。它们不适合小批量生产，因为调度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导致库存大量增加。

处理小批量晶圆生产

低产量往往分为两类：一类是新产品介绍（NPI），另一类是永远不会大批量出货的产品。对于NPI，公司可能会生产少量的样品，用于早期设计、测试和可靠性评估。对于主流产品，一些公司可能会为其所有分销商备货，因此初始生产量可能会很大。其他公司则会根据订单情况，保守地生产设备。

出于上述重新鉴定的原因，NPI批次几乎总是与后续量较大的产品在同一工厂生产。不过，有一对加拿大公司采用了一种独特的模式。一家名为C2MI（Centre de Collaboration MiQro Innovation）的小公司负责原型设计和小批量生产。该公司有意将其设备与C2MI使用的设备尽可能保持一致，以减轻重新认证的负担。这些都不是一家大公司的独立分支。它们是拥有合作伙伴关系的独立机构。

 

图：Promex SMT组装（图片来源：Promex）

产量降低也会影响设备。大型晶圆厂希望设备能让他们以最快的速度生产尽可能多的产品。对于许多步骤而言，这意味着尽可能多的晶圆，也就是机器上的腔室。小型工厂需要同样的设备，但数量更少。Zrno说道：“有些大企业只关注大公司。然而，这些较小的化合物半导体制造商需要精密的单晶片系统，他们不会购买24腔工具。这就为小型设备制造商提供了一个大公司可能不会瞄准的市场。”

不幸的是，地缘政治也会影响生产地点的决定。军事和国防应用中使用的芯片通常由值得信赖的承包商在当地制造。这样做的代价是，本地工厂和组装厂的成本往往更高。

 

专业加工，专业晶圆厂

主流代工厂不适合光子学和微机电系统（MEMS）等特殊技术。前者涉及硅和封装。激光器需要复合半导体，然后这些激光器可能被贴在硅芯片上或与硅芯片共同封装。Fromm补充道：“这些光子电路将引入外部光纤和V形槽，以可靠的定位和角度固定光纤，从而将光有效地传入和传出光纤。”

硅光子学可以利用任何硅工艺，但关键尺寸往往以微米而不是纳米为单位。因此，不需要最严格、最昂贵的工艺。传统工艺更具成本效益，200毫米晶圆通常能很好地满足此类芯片的低产量需求。

某些硅工艺，如用于MEMS的工艺，由于需要为每项设计采用新工艺或修改工艺而声名狼藉。MEMS生产往往由与台积电截然不同的公司主导（尽管台积电也做一些小批量的MEMS工作）。“英飞凌将是最大的MEMS麦克风传感器供应商之一，”Brosnihan表示，“博世生产的MEMS器件比台积电还多。意法半导体（STMicroelectronics）生产多种MEMS传感器，这些传感器的总产量相当可观。至于其他机会，设计人员可以转向Rogue Valley Microdevices等专业MEMS工厂。”

 

高端硅特性与小批量生产的矛盾组合

只要工艺不是太先进，小型晶圆厂就能获得生产工艺所需的设备。尽管一些设备制造商明确表示要制造主流代工厂设备的小型化、低产量版本，但随着工艺的发展，设备的价格也会越来越昂贵。

ASML公司的极紫外（EUV）光刻机就是昂贵设备的典型代表，每台售价高达2亿美元。小型晶圆厂永远无法负担得起这样的资本支出。这意味着最先进的硅节点将永远无法被小型晶圆厂获得。这似乎表明，需要先进硅材料但出货量小的伟大创意将永远行不通，因为任何高端产品都必须大批量出货，否则根本无法出货。但事实并非如此。

晶圆制芯（Wafer coring）的出现，为具有足够利润空间的产品提供了绕过这一限制的途径。专用芯片通常主要由标准处理层组成，然后在标准处理层上再加上少量专用层。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使芯片“功能化”。

由于底层是标准的，因此只要有足够的容量，就可以在代工厂能够处理的任何工艺上制造。问题是，它们通常使用300mm晶圆。后续步骤通常在只能使用200mm晶圆的设备上进行。因此，标准的300mm晶圆是“有芯”的。

Brosnihan表示，“有些公司会购买300mm的高密度CMOS晶圆，然后将其制芯成200mm的晶圆，再将该晶圆通过一些工艺处理，在上面添加光学、传感器或生物等方面的内容。”他强调，“这种工艺既昂贵又浪费，但却很有效。他们在进行取芯操作时会扔掉一半的硅片，所以你最好能赚取巨大的利润。”

但对于合适的机会来说，这种方法既能获得最先进的加工工艺，也能获得专门的加工工艺。

 

包装工艺的多样性大大增加

随着先进包装技术的不断发展，包装公司面临的挑战也越来越大。在一个包装中装配多个芯片已不再是最先进的技术，尽管与标准包装相比，这种技术的成本仍然很高。但许多项目都面临着更多的挑战。而且，对于这类产品，工艺还没有稳定成标准。

是否有一种配方可以让你拨号，然后运行一类设备？Fromm表示，“在输入材料、粘合剂和其他互连材料的工艺和质量方面，这可以随着成熟度的提高而实现。我们制造的很多设备都很特殊，每一个都需要几乎从零开始的工艺。”

新材料在不断开发，不仅是硅材料，还有封装材料。其中一个主要挑战是如何将不同的材料粘合在一起，并在温度变化时保持稳定可靠。每种材料都有一个热膨胀系数（CTE），它描述了材料随温度变化而膨胀和收缩的程度。

Fromm说道：“当你加工这些设备，进行回流焊接或固化粘合剂时，你正在改变温度，因此你对不同材料之间的CTE失配非常敏感。当你只有一种或两种材料时，就像在传统设备中一样，这很容易处理。如果有三种、四种或五种不同的材料，它们的CTE都不同，那就比较困难了。硅的CTE与有机粘合剂的CTE相差10或20倍。路径长度成为一个更大的问题。

 

较长的杠杆臂对翘曲非常敏感。这些都是灾难性的问题。你会弄坏零件，或者造成可靠性问题，即零件出厂后，由于应力和机械应变而产生潜在故障，从而提前失效。”

 新封装方法面临的其他挑战包括共面性，因为印刷电路板或其他面板上的焊球必须可靠连接。有些封装需要开窗透光，或者可能有气体或液体端口。Promex公司销售和营销副总裁Rosie Medina指出，“对于许多用于医疗生物技术的设备，你需要有某种气腔或某种开放式窗口。医疗包装往往非常专业，特别是对于通过植入或让病人摄入的方式进入人体的传感器。这些材料必须具有生物兼容性和密封性，以保护电子元件免受恶劣环境的影响，反之亦然。”

Fromm进一步解释道：“如果它是内窥镜的一部分，就会有一个业务端被焊接到其他东西上。如果是植入式设备，其外壳是一种特殊的生物安全环氧树脂、粘合剂或某种材料，可以在一定时间内安全地植入人体，在这种情况下，外壳本身就是一种封装剂。”

 

用于封装的NPI比用于硅的更宽松。为了加快周转，在岸上制造样品的情况并不少见。与硅片相比，合格证书的影响没有那么严重。Medina表示，“我们正在进行快速周转。客户可能会把一个晶圆送到我们的生产部门，而25个晶圆批量中的其余部分则会送到境外。他们一拿到25个样品，就可以告诉其他人：‘是的，这是制造这些产品的好方法。我们已经在本地进行了测试。’有些客户可能会出售知识产权，因此我们会制造多次迭代的测试车或组装车，每次几百台，这样他们就能验证产品是否达到预期效果。”

有些产品即使产量较高，也可能继续留在陆上生产。Fromm指出：“我们曾见过一些医疗设备，即使产量很高，也可能不会离岸生产，因为不值得提出、鉴定和验证一个新的来源。”

但是，完成新包装评估可能既低效又耗时。不同的步骤发生在不同的地点，需要多次转移设备。Resonac电子业务总部执行董事Hidenori Abe认为，“最好能有一站式解决方案，但美国没有很好的先进封装实验室。我们有一个学习管道。虽然我们是材料供应商，但在向客户推荐材料之前，我们需要这条生产线来测试我们的材料。我们还在日本组建了一个联合体，尝试不同的设备和材料能力，我们希望把这种模式带到美国。”

 

众多力量使小型供应商得以生存

虽然大型代工厂和OSAT对小型专业公司毫无畏惧，但这些小规模制造商却在大型芯片制造商和OSAT无法或不愿承接的项目上茁壮成长。无论是由于特殊的加工需求、较低的预期产量、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能找到很多客户。

我们可以把市场想象成一个果园。大批量生产的芯片制造商和组装公司可以利用自动化技术，大批量、高效率地从果树上摘取易于采摘的果实。但他们不可能获得所有果实。因此，其他公司可以利用专业人员和梯子来采摘留下的仍然完美的果实。只要对所有果实的需求仍然存在，这两类公司都能做得很好。

事实上，鉴于先进的硅处理技术正在取得长足进步，设备的定制化程度越来越高，对小批量制造的需求可能会上升。正如传统硅节点的蓬勃发展一样，默默无闻的专业公司可能会在很长一段时间内继续蓬勃发展。
（本文编译自semiengineering）

 

作者：Bryon Moyer

 

来源：荣格-《智能制造纵横》

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