消費型電子產品一直在往輕薄短小發展,因此把所有電子元件整合至一個晶片內成趨勢,系統單晶片(SoC)指將一個完整的系統如CPU、晶片組、繪圖晶片、網通晶片及周邊電路等,放入一個晶片內,也就是把產品的電路設計縮小化以及模組化,所有功能皆整合在一顆IC中,使電子產品外形輕薄短小便於攜帶。在電視上就是把驅動IC、控制IC、影音IC等整合成SoC,在手機上把AP、基頻晶片整合在一起,在無線通訊產品把藍牙、WLAN、蜂窩電話解決方案整合成SoC。
但隨著SoC塞的電子元件愈來愈多,開發時程愈來愈長,尤其現在面臨不同製程技術,不同半導體材料、不同電子材質等異質整合,SoC常常在系統複雜度、成本、交貨時程上面臨嚴苛的挑戰,有力不從心味道。過去SiP系統級封裝因SoC流行,因此國內封測股如日月光、矽格、南茂、超豐等通常獲利穩定,但爆發性不足股價表現平平,隨著SoC遭遇瓶頸,3D IC開發成功後開始用多晶粒整合縮小封裝尺寸(SoIC)及高效能高頻寬的多晶片整合(CoWoS),使得系統級封裝SiP將改頭換面再度興起。
小晶片多堆疊SiP封裝重起
先進封裝中3D封裝所佔比重將由2019年7%成長至2025年12%,過去2.5D封裝方式是矽中介板黏上晶片,因此晶片如CPU、MENS、射頻、記憶體等晶片都是平面配置,其實很佔空間,PCB面積需擴大,造成可容納晶片變少。現在3D IC技術愈來愈成熟,利用TSV矽穿孔技術,等於矽中介板(矽晶圓)上的晶片經過穿孔可跟導線載板溝通傳達資料,且依序可以再堆疊另一矽中介板再放上更多晶片,再穿孔TSV,依此模式持續3D方式堆疊上去,可容納很多很多晶片,晶片間可橫向溝通傳遞,也可縱向上下溝通傳遞,3D IC封裝可減少PCB使用面積,電子產品就可以做得更輕薄短小,等於小晶片多堆疊的SiP封裝再度興起,而SoC單晶片將面臨瓶頸。
3D IC封裝技術最強的還是台積電,台積電3D IC封裝技術在前段是SoIC(系統整合晶片),是更高段的3D IC技術,SoIC是指在晶圓上將同質或異構小晶片都整合到一個類似SoC的晶片中,可擁有更小的面積和更薄的外形,在速度上2.5D是0.01X,3D是1X,SoIC是11.9X,可見台積電的SoIC實在非常強。
功耗上2.5D是22.9X,3D是1X,SoIC是0.05X,SoIC實在是極度省電。頻寬上2.5D是0.01X,3D是1X,SoIC是191X,SoIC傳遞資料速度實在是無敵戰將。後段是CoWoS封裝,過去CoWoS印象是2.5D封裝,但因現在是將SoIC封裝變成3D封裝,也就是半導體晶片一同放在矽中介層上,先通過晶片在矽晶圓上先封裝(CoW),再把這個封裝後的晶片與載板連接整合成CoWoS。CoWoS其實跟日月光SiP差不多,都是類似獅子,差別只是一個是非洲獅,一個是亞洲獅。
產能充裕 「一站式」服務
台積電CoWoS封裝技術已在研發第六代,第四代CoWoS技術倍縮光罩技術使得矽中介層面積有效提高三倍,也將使高頻寬記憶體容量最高可提升至128GB,有效提升HPC晶片的運算效能,因應逐漸提升的高階晶片市場需求,很明顯Intel的EMIB先進封裝技術已輸給了台積電。在先進3D技術上因CoWoS高效能高頻寬特性,將可望取代扇出(InFO)技術。台積電將CoWoS、CoW、WoW、扇出等先進3D封裝技術平台稱為3D Fabric(網布),未來此平台就是在整合邏輯晶片、高頻寬記憶體及特殊製程晶片的3D封裝。
雖然3D封裝最大受惠股是台積電,但SoC遭遇瓶頸,SiP重起給日月光更大商機,日月光過去雖股性一向溫吞牛皮,但2020年EPS估由3.96元成長至約六元,估2021年可達八元以上呈現大躍進,因日月光在SiP營收2019年約2.3 億美元,2020年三億美元,2021年估至四億美元,日月光業績可望脫胎換骨。日月光在先進封裝具備實力,可提供SiP、3D IC、扇出型封裝(Fan Out)等高端技術,且擁有充裕產能、價格及「一站式」服務等優勢,蘋果、小米、Oppo、AMD及SONY PS5遊戲機主晶片等都使用日月光高階封裝,接單情況良好。