芯片需求的激增正在影響IC封裝供應鏈，造成精選制造能力、各種封裝類型、關鍵部件和設備的短缺。封裝方面的現貨短缺在2020年底浮出水面，此后蔓延到其他行業。目前，供應鏈上出現了各種卡口。線束和倒裝芯片的產能在整個2021年都將保持緊張，還有一些不同的封裝類型。此外，IC封裝中使用的關鍵元件，即引線框架和基板，也是供不應求。最近臺灣一家封裝基板廠發生的火災使問題更加嚴重。除此之外，貼片機和其他設備的交貨周期也在延長。

一般來說，封裝方面的動態反映了半導體業務的整體需求狀況。從2020年中期開始，服務器和筆記本市場獲得了動力，為這些市場創造了對不同芯片和封裝的巨大需求。此外，汽車行業的突然回暖使市場發生了翻天覆地的變化，造成了芯片和代工產能的普遍短缺。

半導體和封裝市場的短缺并不新鮮，在IC產業的需求驅動周期中也會出現。不同的是，業界終于開始認識到封裝的重要性。但封裝供應鏈某些環節的脆弱性，尤其是基板，讓許多人措手不及。

供應鏈的限制已經造成了一些出貨延遲，但目前還不清楚這些問題是否會持續下去。毋庸置疑，包裝供應鏈亟待加固。首先，封裝在整個行業中發揮著更大的作用。OEM廠商希望芯片更小、更快，這就需要新的、更好的、具有良好電氣性能的IC封裝。

同時，先進的封裝正在成為開發新的系統級芯片設計的一個更可行的選擇。芯片擴展的功率和性能優勢在每一個新的節點上都在減少，而自finFET推出以來，每個晶體管的成本一直在上升。因此，雖然擴展仍是新設計的一種選擇，但業界正在尋找替代方案，而將多個異構芯片放在一個先進的封裝中就是一種解決方案。

"人們已經意識到封裝的重要性，"TechSearch International總裁Jan Vardaman說。"它已經提升到公司和半導體公司的企業層面的討論。但我們的行業正處于這樣一個關口，如果我們的供應鏈不處于良好的狀態，我們根本無法滿足需求。"

為了幫助業界在市場上獲得一些啟示，《半導體工程》對目前封裝以及供應鏈的動態進行了分析，包括產能、封裝和組件。

芯片/封裝熱潮

這是半導體行業的一次過山車之旅。在2020年初，業務看起來很光明，但在Covid-19大流行病爆發的情況下，IC市場下跌。

在整個2020年，不同的國家實施了一系列措施來緩解疫情，如留守訂單和企業關閉。經濟動蕩和工作崗位的流失很快就出現了。

但到了2020年中期，由于留守經濟帶動了電腦、平板電腦和電視的需求，IC市場反彈。根據VLSI Research的數據，2020年，IC行業高調收官，芯片銷量比2019年增長了8%。

這種勢頭已經延續到了2021年的前半段。根據VLSI Research的數據，2021年半導體市場總共預計將增長11%。

"我們看到了巨大的需求，由于物聯網、邊緣設備和5G實現的智能設備，"ASE首席運營官Tien Wu在最近的電話會議上表示。"隨著高性能計算、云計算、電子商務，以及5G的低延遲和高數據速率，我們看到了更多的智能設備、電動汽車以及所有物聯網應用。"

去年，汽車市場萎靡不振。最近，汽車公司的需求重新恢復，但他們現在面臨著一波芯片短缺。在某些情況下，汽車制造商被迫暫時關閉部分工廠。

擁有晶圓廠的IC廠商以及代工廠無法滿足汽車和其他市場的需求。"在2020年日歷的大部分時間里，晶圓廠以非常高的利用率運行--無論是200mm還是300mm晶圓廠--幾乎所有技術都是如此，"聯電業務發展副總裁Walter Ng表示。"汽車領域絕不是被單獨挑出來的，因為所有領域和應用似乎都在供應緊張的情況下運行。去年下半年確實有許多汽車廠因COVID而停工。我們觀察到許多汽車半導體供應商在這些時期減少或停止訂貨。如果你考慮到這一點，再加上汽車行業的精簡庫存做法，這些可能是導致我們今天看到的汽車特定短缺的因素。"

有一些警告信號。"我們看到汽車半導體供應商的需求在20年第二季度初左右開始波動。直到20年第4季度初左右，我們才看到汽車半導體供應商的需求開始恢復到更典型的需求水平。"Ng說。"作為一個總的趨勢，我們看到汽車電子領域有不錯的增長，它涵蓋了從0.35微米分立MOSFET器件到28納米/22納米ADAS產品以及介于兩者之間的所有工藝技術，如車身和底盤控制、信息娛樂和WiFi。我們預計，在可預見的未來，汽車用半導體含量將繼續增長。"

所有這些市場都刺激了對封裝容量和封裝類型的需求。量化產能的一種方法是看工廠利用率。

全球最大的OSAT公司ASE，其整體工廠利用率從2020年第一季度的75%提高到80%，到去年第二季度達到85%左右。到了第三季度和第四季度，ASE的包裝利用率遠遠超過80%。

在2021年上半年，包裝產能的整體需求仍然強勁，在一些細分市場看到供應緊張。"我們看到產能幾乎全面緊張，"Amkor線束BGA產品副總裁Prasad Dhond說。"除汽車外，大多數終端市場在整個2020年都保持強勁。在2021年，我們繼續看到這些市場的強勢，汽車也已經復蘇。因此，汽車市場的回暖肯定會增加產能的限制。"

其他方面，包括在岸包裝廠商，也看到了需求的增加。"美國本土包裝產能似乎保持穩定，"Quik-Pak銷售和營銷副總裁Rosie Medina說。"每個人都在盡其所能管理增加的需求。"

線框、引線框架短缺

市場上存在多種不同的IC封裝類型，每種類型針對不同的應用。

一種細分封裝市場的方法是按互連類型劃分，其中包括線鍵、倒裝芯片、晶圓級封裝（WLP）和通硅孔（TSV）。互連器件用于將一個芯片與另一個封裝中的芯片連接起來。TSV的I/O數量最多，其次是WLP、倒裝芯片和wirebond。

根據TechSearch的數據，目前大約75%到80%的封裝是基于線鍵的。早在20世紀50年代就開發出來的wire bonder，是用細小的導線將一個芯片縫合到另一個芯片或基板上。線材鍵合主要被用于低成本的傳統封裝、中端封裝和內存裸片堆疊。

2020年上半年，線鍵產能需求低迷，但2020年第三季度需求激增，導致線鍵產能趨緊。ASE當時表示，至少在2021年下半年之前，線束產能都將保持緊張。

線束市場還出現了其他趨勢。"我們所做的堆疊模具數量比以前更多，"ASE的Wu在2020年第三季度的電話會議上說。"所以在這個特殊的周期中，不僅僅是數量。還包括模具數量、線材數量以及復雜性。"

到目前為止，在2021年，由于汽車和其他市場的繁榮，線束產能受到限制。采購足夠的線束機來滿足需求也變得越來越困難。

"產能仍然緊張，"ASE的Wu在最近的電話會議上說。"上次我做了一個評論，線棒短缺至少會到今年第二季度。現在，我們稍微調整了我們的觀點。我們認為，線型債短缺將貫穿2021年全年。"

在2020年初，采購線棒相對容易。隨著2020年下半年需求的回升，線束機刀具交貨期延長至6至8個月。"現在，機床交貨周期更像是6到9個月。"Wu說。

貼線機用于制造多種封裝類型，如四平無引線（QFN）、四平封裝（QFP）等。

QFN和QFP屬于封裝類型中的引線框架組。引線框架是這些封裝的關鍵部件，基本上是一個金屬框架。在生產過程中，模具被連接到框架上。引線通過細線連接到芯片上。

圖1.QFN封裝。

圖2.QFN側視圖。

"通常情況下，QFN是線接的，盡管你也可以設計成倒裝芯片，"Quik-Pak的Medina說。"雖然倒裝芯片QFN可以比線接QFN更小的尺寸/腳印，但它們的制造成本更高一些，因為需要凸起的模具。很多客戶會選擇QFN，因為其尺寸小，性價比高。傳統的包覆式QFN格式是許多應用的經濟選擇。當標準JEDEC尺寸不適用時，定制尺寸也可以被認為是經濟的，例如我們的開模塑料封裝（OmPP）。這些有各種JEDEC格式和定制配置。"

引線框封裝用于模擬、射頻和其他市場的芯片。"我們看到對QFN封裝的需求比以往任何時候都要強烈，"Medina說。"它們被用于許多終端市場，如醫療、商業和mil/aero。手持設備、可穿戴設備和帶有許多組件的電路板都是主要應用。"

不過在景氣周期中，面臨的挑戰是如何從第三方供應商那里獲得充足的引線框架供應。引線架業務是一個低利潤的領域，經歷了一波整合。一些供應商已經退出了該業務。

如今，QFN封裝需求旺盛，這就產生了對更多引線框架的需求。雖然一些包裝廠能夠獲得足夠的引線框架，但其他包裝廠卻出現了短缺。

"引線框架供應緊張，"Amkor的Dhond說。"供應商的產能無法跟上需求。貴金屬價格上漲也在影響鉛框價格。"

先進封裝、基材困境

許多先進封裝類型的需求也很旺盛，特別是倒裝球柵陣列(BGA)和倒裝芯片級封裝(CSP)。2.5D/3D、扇出和系統級封裝(SiP)的產量也在增加。

倒裝芯片是一種用于開發BGA和其他封裝的工藝。在倒裝芯片工藝中，銅凸塊或支柱形成在芯片之上。器件被翻轉并安裝在一個單獨的芯片或電路板上。凸點落在銅墊上，形成電氣連接。

圖3：倒裝芯片安裝的側視圖。

根據Yole Développement的數據，在汽車、計算、筆記本等產品的推動下，倒裝芯片BGA封裝市場預計將從2020年的100億美元增長到2025年的120億美元。

"倒裝芯片產品的整體產能在2021年將繼續以高利用率運行，設備交貨期將推到大于我們通常經歷的2倍，"Amkor高級副總裁Roger St.Amand說。"根據現有的預測，我們預計這一趨勢將持續到2021年，并進入2022年，這是由通信、計算和汽車市場領域的更高需求所推動的。總的來說，我們在所有倒裝芯片封裝技術中都看到了這種趨勢。"

同時，扇出式和扇入式封裝是基于一種名為WLP的技術。在扇出的一個例子中，一個存儲器裸片被堆疊在一個封裝的邏輯芯片上。扇入式，有時稱為CSP，用于電源管理IC和射頻芯片。根據Yole的數據，WLP市場總共預計將從2019年的33億美元增長到2025年的55億美元。

2.5D/3D封裝用于高端服務器和其他產品。在2.5D中，模具被堆疊或并排放置在中間體之上，中間體包含TSV。

同時，SiP是一種定制的封裝，它由一個功能性電子子系統組成。"我們看到各種新的SiP項目，涵蓋了光學、音頻和硅光子學，以及很多智能手機邊緣設備，"ASE的Wu說。

這些先進的封裝類型中，很多都使用了層壓基板，而層壓基板是供不應求的。其他封裝則不需要基板。這取決于應用。

基板在封裝中作為基礎，它將芯片與系統中的電路板連接起來。基板由多層組成，每一層都包含金屬線和通孔。這些路由層提供了從芯片到電路板的電氣連接。

層壓基板是雙面或多層產品。有些封裝有兩個雙面層，而更復雜的產品有18至20層。層壓基板基于各種材料組，如味之素（ABF）建立材料和BT樹脂。

一般來說，在供應鏈上，包裝廠從各種第三方供應商那里購買基材，如Ibiden、Kinsus、Shinko、Unimicron等。

去年，當對層壓基板的需求激增時，問題開始浮出水面，導致這些產品的供應緊張。去年年底，臺灣尤尼姆龍公司旗下的一家生產工廠發生火災，問題升級。Unimicron將生產轉移到其他工廠，但一些客戶仍無法獲得足夠的基板以滿足需求。

最近幾周，Unimicron同一工廠又發生了一起火災，當時工人們正在清理工廠。不過當時該工廠并沒有在生產。

持續的需求，再加上供應鏈上的各種阻礙，使得2021年的基板形勢大為惡化。在某些情況下，隨著交貨期的延長，基板的價格也在上漲。

"與我們在設備方面所經歷的情況類似，我們看到倒裝芯片基板的交貨時間也有相當大的增長，"Amkor的St.Amand說。"在某些情況下，襯底交付時間增加到超過行業內通常的4倍。這一趨勢主要是由計算領域對大體量和高層數單片ABF基板的持續較高需求所驅動。此外，我們還看到汽車行業的強勁復蘇，在某些情況下，這與上述高端計算機基板的需求直接競爭。我們還看到，在通信、消費和汽車領域，對用于車身較小的產品的帶狀PPG基板的需求也在增加。"

與此同時，業界正在研究解決這一問題的方案，但這些方法可能會有欠缺。"我認為，IC封裝基板的商業模式基本上已經被打破了，"TechSearch的Vardaman說。"我們需要有某種新的方法來處理這些商業關系，以保證供應。我們在價格上幾乎把這些可憐的基板供應商打得落花流水。他們已經無法維持他們的利潤率。這不是一個健康的局面。"

這里沒有快速解決的辦法。基板供應商可以簡單地提高產品價格以提高利潤率，但這并不能解決產能問題。

另一個可能的解決方案是基板供應商建立更多的制造能力以滿足需求。但一條大規模的先進襯底生產線的成本約為3億美元。

"如果這些基板公司認為產能在兩三年內不會被利用，那么所需的投資水平就不會讓他們感到舒服。"Vardaman說。"他們需要獲得投資回報，如果他們認為需求會減少，那就很難做到。而當他們投資了太多的產能，然后價格下跌，會發生什么？他們無法獲得回報，利潤率也會受到影響。所以這是一個非常艱難的局面。我想說的是，我們這個行業的情況真的很糟糕，因為這個原因。"

一個成本較低的選擇是簡單地提高現有基板生產線的良率，從而實現更多可用產品。但供應商需要在新的昂貴的計量設備上投入更多。

包裝廠也在尋找不同的解決方案。最明顯的一種是向不同的供應商采購基材。但據Vardaman介紹，要想獲得一個新的基材供應商的資格，需要25周或25萬美元。

另外，封裝廠可以開發和銷售更多的無基板IC封裝。但許多系統需要帶有基板的封裝，在某些情況下，這種封裝更加堅固可靠。

情況并非毫無希望。封裝廠需要與供應商更緊密地合作。"我們正在與客戶合作，以獲得更長期的預測來訂購材料，"Amkor的Dhond說。"我們正在限定第二來源，以保證適當的供應。"

這也創造了一些新的機會。Quik-Pak公司去年推出了一項基板設計、制造和組裝服務。通過這項服務，該公司支持各種類型的封裝基板。"我們肯定看到了對我們的基板開發服務的需求增加，通過這種服務，我們為基于基板的組裝創造交鑰匙解決方案，以適應客戶的包裝要求，"Quik-Pak的Medina說。"我們能夠將客戶的要求集中在一起，并利用價格和交貨期來選擇合適的晶圓廠合作伙伴，這對于將基板的供應保持在合理的交貨期內至關重要。美國本土供應商可以將交貨期縮短50%以上。"

顯然，對包裝的需求已經急劇上升，但行業必須加強供應鏈。否則，包裝廠商將面臨更多的延誤，甚至失去機會。不利的一面是，所有這些都需要更多的投資，為了達到一定的規模，可能需要對某些細分領域的廠商基礎進行整合。但這也為新的和更多的創新方法打開了大門，這對實現這一目標至關重要。

編輯：hfy