後摩爾定律時代的新引擎：先進封裝助力中國半導體擺脱“紅皇后”

“摩爾定律已經苟延殘喘，只剩5-6年的壽命。”

台灣半導體之父、台積電董事長張忠謀早在2014年就發表演説，認為這條被半導體產業界在50年曆史中奉為圭臬的理論即將失效。

6年過去，在2020年，有更多的人認同這樣的觀點。普通人最能體會到的就是，電子消費產品廠商近年來頻被吐槽的“擠牙膏”行為。

新的iPhone12手機在今年10月發佈，但是蘋果連續幾代產品都沒有太大的變化，無非就是處理能力快一點，屏幕大一點，用户對這樣的變化已經無感；計算機方面，就連發明摩爾定律的英特爾自己都難以支撐更先進的製程，7nm芯片一再難產，連續幾年跳票。

如果摩爾定律發展停滯，對於半導體產業的發展打擊是巨大的。基於晶體管尺寸微縮的產業引擎熄火以後，整個行業的生態會變得和現在完全不同，徹底成為堆積資金、產能和成本的競賽。誰的良率最高、成本最低，誰就能拿下最多的訂單，同質化的製造技術將壓縮利潤空間。

作為國內集成電路封裝行業領軍人物之一，廈門雲天半導體科技有限公司（以下簡稱“雲天半導體”）總經理於大全認為，先進封裝將是撬動半導體產業繼續向前的重要槓桿。

於大全博士長期從事先進封裝技術研究，陸續承擔了國家科技重大專項02專項項目和多個國家級課題，先後入選中科院“百人計劃”、江蘇省雙創人才和廈門市雙百人才。

“芯片製造技術追趕國際先進水平和先進封裝與集成技術趕超國際先進水平，是當前我國半導體產業發展的必然路徑。”於大全博士領導的團隊，也正在這一思路下進行先進封裝與集成技術的探索。

01超越摩爾定律的天花板

1965年，由英特爾創始人之一戈登·摩爾提出，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這也被稱為摩爾定律。

這不是一條物理定律，而是一個早期通過觀察發現的行業發展規律，後來由人為力量堅強推動的產業進步週期。摩爾定律的發展，反映了集成電路產業從無到有、到支撐起今天整個信息科技的大廈的過程。

問世50年後，人們有理由懷疑，摩爾定律是否快走到頭了？半導體工藝製造技術水平在以令人目眩的速度提高，晶體管的幾何尺寸不可能無限制的縮小下去，總有一天會達到極限。從成本角度看，從14納米節點後，單個晶體管的製造價格已經開始變高。

其制約因素，一是技術：一般認為，器件尺寸做到5納米以下時，溝道中的載流子行為將要用量子力學的理論來解釋，經典物理學的半導體器件理論將失效。實際上集成電路的發展速度已經放緩，面對越發微小的納米工藝，製造業正在面臨物理上的瓶頸。

二是經濟：建設晶圓廠砸錢堪稱瘋狂，2000年前後，計劃回國的張汝京博士帶了14億美元到上海創建中芯國際，但是根本不夠，僅一條晶圓產線就需要10億美元。而現在，一條高端的晶圓產線，沒有上百億美元下不來，台積電的3納米產線至少需要150億美元。

由於花不起這筆錢，十多年來不僅沒有出現新的競爭玩家，而且越來越多的參與者從先進製程中“出局”。目前，7nm及以下先進製程的玩家，僅剩行業龍頭台積電、三星、英特爾等，以及處於技術追趕中的中芯國際。

摩爾定律的未來在哪裏？中科院王曦院士在內的很多專家學者提出“超越摩爾定律”概念，意指非數字、多元化半導體技術與產品，可以在成熟的工藝生產線上研發，無需遵循摩爾定律，在工藝尺寸上越做越小。

同樣在張忠謀指出摩爾定律將亡的那場題為Next Big Thing的演講中，關於什麼是半導體產業的Next Big Thing？他點名是物聯網，並認為台灣企業要抓住這波商機，首要掌握的就是系統級封裝等關鍵技術。

張忠謀表示，透過系統級封裝技術，讓一顆晶片能夠整合更多功能，也更省空間，並且不需要很先進的製程。

“隨着摩爾定律的放緩，需要通過先進封裝和系統集成，去解決電子產品的性價比、性能改善、多功能化等問題。”於大全博士也指出，近年來，先進封裝技術在半導體領域發揮的作用越來越大。

知名諮詢機構Yole預計，2018—2024年，先進封裝市場的年複合增長率為8%，預計在2024年達到440億美元左右，而同一時期，傳統封裝市場的年複合增長率僅為2.4%。為搶佔技術高地，全球主要封測廠、晶圓廠、IDM都在加緊佈局先進封裝。

市場需求的帶動下，越來越多超越傳統封裝理念的先進封裝技術被提出，系統級封裝(SiP)、晶圓級封裝(WLP)、2.5D/3D封裝、Chiplet集成等的應用越來越廣泛。

“半導體頭部企業發展重點，逐漸從過去着力於晶圓製造工藝技術節點的推進，轉向芯片構架重構和系統封裝集成創新。”於大全博士表示，進入“超越摩爾”時代，先進封裝集成技術開始扮演愈加重要的角色，基於前道技術能力的“前道封裝”開始在高端器件上顯現。

02納須彌於芥子的奧妙

在電子產業鏈中，封裝環節常常被人忽視，但卻一直默默地發揮着關鍵作用，沒有它芯片就無從與外界高效連接、溝通。

隨着集成電路的飛速發展，封裝已不僅僅是把製作好的芯片打包加個“外殼”那麼簡單，而是涉及到一整套完整流程，從芯片設計之初，就要考慮封裝方案，越來越多的芯片級封裝，特別是三維高密度封裝，涉及到一系列晶圓級工藝、高密度硅基、有機基板製造、三維互連、複雜可靠性和失效分析測試、散熱解決方案等等，都是技術含量滿滿。

“5G商用時代迅速到來，5G領域高速、高頻的技術特點，以及多種器件異質集成的運用要求，需要多種先進封裝技術不斷創新發展和綜合運用。”於大全博士指出，以雲天半導體的重點產品射頻前端封裝為例，5G智能終端對射頻前端器件的需求相比4G產品成倍增長，大量增長的射頻器件對更小尺寸的先進封裝和系統集成需求強烈。

射頻前端是終端通信的核心組成器件，具體包括濾波器、LNA（低噪聲放大器，Low Noise Amplifier）、PA（功率放大器，PowerAmplifier）、開關、天線調諧。中金公司在研報中預計，2020年全球5G手機銷量或將達2.5億台，並且5G對消費電子產業鏈最大的增量就是是射頻前端等通信元器件，射頻前端市場存在較大增長機會。

一直以來，雲天半導體密切關注5G市場應用，創新開發了多種先進封裝及系統集成技術，技術覆蓋了從濾波器等射頻前端器件三維封裝，玻璃通孔技術、三維無源器件技術，以及面向毫米波芯片的扇出集成技術和AiP系統集成方案。

據麥姆斯諮詢報道，雲天半導體團隊在玻璃通孔（TGV）技術領域開展了多年研發，探索可規模化量產技術。近兩年，成功開發先進激光加工技術，實現了低成本、高效率的玻璃通孔製備，並實現深寬比為10:1的玻璃通孔量產，且具備較好的形貌。雲天半導體是目前全球率先建立低成本高密度TGV技術量產能力的企業，處於業界領先地位。

既有巨大的市場需求刺激，又是需要儲備的先進製造技術，在雙重因素驅動下，2020年10月，雲天半導體獲得過億元A輪融資。本輪由國投創業領投，浙江銀杏谷資本、西安天利投資、新潮科技參與投資，資金將用於雲天一期工廠產能擴產及二期工廠啓動資金。

“目前我們已經構建了面向5G應用的國內稀缺的4/6寸晶圓級三維封裝平台，二期工廠投產後公司將具備從4寸到12寸晶圓級封測及系統集成能力，滿足不同射頻器件產品需求，並且提升產能至2萬片/月，滿足客户爆發需求。”於大全博士希望，雲天半導體通過資金技術投入和科研量產合作，有力地支持我國射頻器件國產化進程。

03重構價值鏈擺脱“紅皇后”

“只有不停地奔跑，才能呆在原地不動。”《愛麗絲夢遊仙境》中，紅皇后對愛麗絲這樣説，“如果你想去別的地方，必須跑得比現在快一倍！”

這是管理學界所説的“紅皇后效應”。半導體產業鏈全球化的同時，競爭也在全球化，但是不管有多拼命，相對位置似乎變動不大。

曾經國內的LED芯片產業雖然有巨大的經濟規模，但是由於創新規模沒有跟上，過剩的中低端產能、持續下滑的價格等陰雲一直籠罩在廠商的心頭。高工產研LED研究所（GGII）研究顯示，2019年LED芯片產能過剩嚴重，稼動率過低，部分企業去庫存殺價，價格跌去30-50%，預計未來幾年LED產業鏈將進入低速增長期。

我國半導體產業快速發展帶來了巨大的經濟規模，但是企業的獲利能力並沒有明顯提升，根源就在於企業的創新能力。在摩爾定律放緩的背景下，半導體產業更需要警惕避免陷入像光伏、面板、LED芯片等產業一樣的困境。

“雖然在半導體產業鏈中，封測已經是我國最成熟的細分領域之一，全球市場佔比已經達到28%，但在中高端市場，我國封裝企業的話語權仍然有待提升。”於大全博士認為，接下來需要持續攻關，掌握先進封裝技術，做好人才儲備、完善產業生態建設，並提升市場響應能力。

從科研院所“換道”企業，親身參與產學研實踐，於大全博士對於科技如何實現產業應用，從個人經歷中感悟到更深入的體會：“目前，集成電路產業無論從哪一個方向講，都進入到了創新深水區。創新成本越來越高，投入將越來越大。要降低創新成本，就要進行產業鏈協同創新，探索科研院所與企業的深入合作，使科研的方向與成果契合產業需求，從而提高全社會的創新效率，進一步解決創新的成本問題。”

在5G產業的實現路徑上，於大全博士認為，我國大部分半導體廠商都還不具備IDM（全流程一體化的製造商）的真正競爭力，虛擬IDM模式更為合理與有潛力，合作起來能更快速地擠進市場。本次雲天半導體接受融資，也有助於上下游的戰略互通不斷深入，承接半導體產業鏈的關鍵一環。

業界目前也有類似觀點存在，方正證券研報認為，在大國博弈長期存在的背景下，半導體國產替代勢在必行，中游製造+下游封測的虛擬IDM模式逐漸成形，成為大陸半導體產業鏈的基石。

聲明：轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標註錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯繫，我們將及時更正、刪除，謝謝。

來源:新華日報財經