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穩紮穩打表現亮眼　SiP逐步升溫

2010-02-26

侯俊宇

談及晶片立體堆疊技術，除了近期大為風行的3D IC吸引不少業界目光外，較早問世的其他技術如SiP、MCP與SoC等，也都擁有一定支持者。不過，其中又以SiP能快速因應市場變化，同時符合消費性電子生命週期短之特性，在近期表現亮眼。

在半導體產業各界龍頭之力拱下，由矽穿孔(TSV)技術領軍的3D IC近期風起雲湧，不但掀起諸多話題，也直接挑戰運行多年之摩爾定律(Moore's Law)。不少業者樂觀期待，隨著立體堆疊技術逐步成熟，未來不但電晶體數目可持續增加，晶片尺寸、效能與耗電等議題均可進一步改善，更加適合未來各式資通訊產品之發展。

如科磊半導體(KLA-Tencor)專案總監Irfan Malik便指出，不論是邏輯晶片、記憶體或是互補式金屬氧化半導體影像感應器(CMOS Image Sensor, CIS)，最快在2010年下半年便可量產(圖1)，無疑是3D IC逐步成熟之最佳佐證。

資料來源：科磊
圖1 2009～2011年3D IC之演進路程

簡單來說，半導體封裝是半導體晶片的物理保護外層，包括用以連結晶片與晶片運轉系統之電子連線。對於整體產品的微型化與效能，封裝尺寸向來為一項重要限制因素。而若能以先進的技術為半導體產業帶來可靠的封裝解決方案，將可提供消費性電子或其他可攜式裝置更先進的整合與微型化。

舉例來說，晶片尺寸封裝(CSP)由於支援許多封裝類型，包括引線接合、焊線以及各種多晶片封裝解決方案，因此可帶給晶片製造商許多設計選項，以因應產品在實體規格與效能方面的需求。

至於多晶片封裝(MCP)則屬於3D立體解決方案之一，其可針對效能與可靠度進行最佳化，同時也突破尺寸限制，同時降低整體系統成本。相關技術包括結合基板層與錫球堆疊的晶粒堆疊、混合晶粒系統級封裝(SiP)及層疊封裝(PoP)堆疊技術等。

而覆晶封裝(Flip Chip)則是針對高效能、多輸入/輸出(I/O)介面的元件，可提供具備高良率與可靠度的解決方案。其乃是一種將晶片與基板相互連接的先進封裝技術。透過允許晶片與基板互相連接，可降低晶片與基板間的訊號傳輸距離，維持晶片封裝前後尺寸之一致性。

另一種封裝技術則是晶圓級封裝(WLP)，它能使廠商開發出更薄、更可靠、更低價的影像感測器封裝解決方案。舊有的晶圓級封裝多以小型晶粒應用為主，卻無法大量運用於如動態隨機存取記憶體(DRAM)及快閃記憶體(Flash)的大型晶粒應用。理想的WLP能可靠且支援高頻率運作，也具備理想的電源整合性。它支援晶圓級測試、提供更低的成本，並能減少晶粒尺寸。

若從晶圓級封裝技術的近期發展來看，其諸多特性將能滿足上述各項需求。例如運用WLP上的兩片金屬層，能提升電源與訊號的整合性。若省略封裝基板，能在各種高速應用中，縮短電路長度。至於在相容元件層頂部加上銅接腳，即能進行晶圓層級測試與預燒。運用重組晶圓搭配WLP技術，能克服晶粒縮小所衍生的問題，且能運用層壓來取代旋轉塗布，並減少微影製程步驟，以降低封裝成本。

不過，儘管3D IC正當紅，也有不少業者抱持保留態度。有業者便指出，儘管3D IC「最快」在2010年便可進入量產，但仍不會是大規模出貨。而相較於尚未全面成熟、不少專業知識(Know-how)尚須累積的嶄新技術，既有技術如SiP、MCP甚至系統單晶片(SoC)也都還有發揮空間。從表1可以看出，3D IC、SoC與SiP各有優勢，不過若從技術演進之成熟度來看，SiP仍是不少業者的首選。

表1　SoC、SiP與3D IC 之比較
種類	SoC	SiP	3D IC
外型/尺寸	Δ	Δ	√
密度	Δ	Δ	√
效能(速度、頻率、功耗)	Δ	X	√
製程完備	Δ	√	X
異體整合	X	√	Δ
單一訊號處理封裝密度	Δ	X	√
大量出貨之製作成本	Δ	X	√
中/小量出貨之製作成本	√	Δ	X

√: Best, Δ: Medium, X: Worst
資料來源：工研院

快速問世符合客戶需求　SiP優勢獲青睞

圖2　創意電子SiP專案總監林崇銘認為，面對更快速、更具競爭性的消費性電子產業，SiP無疑首選封裝技術。

創意電子SiP專案總監林崇銘(圖2)即表示，SiP可在極為精密的空間內完成異質整合，且有助提升訊號完整度。尤其針對通訊領域，若部分網路元件之實體(PHY)層難以用奈米製程實現，就須採用兩顆以上的晶片。如此一來，既增加成本又不符合實際。因此若能順利採用SiP方式，便可大規模減輕設計人員與元件設計之負擔，進而為元件本身帶來更多價值。

林崇銘進一步分析，若以今日的消費性電子生命週期來看，新產品從概念到量產的時間均不斷縮短，因此若欲與競爭對手拉開差距，或是快速提供滿足客戶需求之產品，就將需要更快速的晶片設計與封裝模式，而正是SiP得以發揮之處。

在圖3中可以看出，由於SiP具有的多項優勢，讓消費性電子得以大展身手，同時應用範圍極為廣泛，從手持式裝置到家用遊戲機等均可適用。林崇銘透露，量產多時的SiP，不但在實作經驗上已經獲得不少客戶證實，其不斷演進的技術也成為吸引更多客戶採用的關鍵，因此他對SiP之未來發展仍頗為看好。

圖3　SiP應用優勢分布圖

據悉，自2008年起，創意電子之三成營收即與SiP高度相關，而每四款新晶片設計中，就有一款會以SiP的形式出貨。因此，他認為，SiP封裝無疑是相對成熟的技術。

記憶體成最大動能來源

而若從2008～2013年之半導體產業發展(表2)來看，記憶體占半導體產業比例將持續增加，進而帶動整體產業成長。因此，以記憶體為主力之業者，也紛紛對來年表現表示看好。

表2　2008～2013年依半導體產業市場產值(單位：10億美元)　　　　　　　　　製表者：侯俊宇
元件\年度	2008年	2009年	2010年	2011年	2012年	2013年	CAGR
Memory	47.4	41.0	47.5	55.3	59.9	56.0	3.4%
Micro	48.8	39.4	42.0	45.9	49.3	51.1	0.9%
Logic	11.8	9.9	11.0	12.3	13.4	13.8	3.1%
Analog	17.8	14.4	15.8	17.6	18.8	19.6	1.9%
Discrete	17.3	13.9	15.3	17.0	18.2	18.6	1.5%
Opto	16.7	14.9	17.0	18.6	20.0	20.8	4.5%
ASIC	23.7	18.5	19.4	21.1	23.6	24.1	0.3%
ASSP	68.5	57.2	62.8	70.8	76.2	78.7	2.8%
Non-optical Sensors	3.0	2.5	2.7	3.1	3.5	3.7	4.8%
Annual Growth Rates
Memory	-20.0%	-13.5%	15.9%	16.5%	8.4%	-6.6%
Micro	0.1%	-19.2%	6.6%	9.2%	7.3%	3.8%
Logic	-7.3%	-16.6%	11.4%	11.7%	8.8%	3.0%
Analog	0.0%	-19.0%	9.2%	11.4%	7.1%	4.1%
Discrete	-1.6%	-19.8%	10.6%	10.5%	7.2%	2.6%
Opto	1.2%	-10.5%	13.8%	9.5%	7.8%	3.9%
ASIC	-4.3%	-21.9%	4.5%	8.9%	11.8%	2.2%
ASSP	-1.0%	-16.5%	9.8%	12.8%	7.6%	3.3%
Non-optical Sensors	4.0%	-16.4%	9.4%	14.1%	13.0%	7.1%

資料來源：Gartner(08/2009)

儘管記憶體近年售價落差甚大，出貨情況也頗不穩定，但從表2中仍可看出，其在半導體產業中所占的比例仍持續成長，並貢獻一定之營收。而隨著消費性電子產品搭載記憶體的比例日益吃重亦可看出，相關市場的發展更是只增不減，甚至可望帶來一波全新商機。

圖4　鉅景科技總經理王慶善透露，記憶體向來是印刷電路板上最大面積單元，而SiP之出現可有效堆疊，成為設計人員福音。

不過，正因為記憶體角色至為關鍵，從製造商的角度來看，如何為其效能、尺寸、功耗乃至於成本，均能進一步改善，便是各家業者的當務之急。尤其若能搭上各式新問世之立體封裝技術，將有助減輕記憶體設計人員之負擔。

如鉅景科技總經理王慶善(圖4)便認為，由於記憶體一向是占據整體印刷電路板(PCB)最大空間之「禍首」之一，因此設計人員無不期盼將其「除而後快」。不過，在平面設計的世界裡，要談記憶體的尺寸縮減可說是難上加難。但隨著SiP技術的成熟，設計人員可將記憶體與其他晶片進行堆疊，進而縮減封裝尺寸，無疑是設計人員福音。

王慶善進一步解釋，如果從廠商選擇SiP之原因來進行分析可以看出，多數廠商選擇SiP是為了低成本、小型化與薄型化。尤其若能針對記憶體加以精簡，勢必可為設計人員與終端產品帶來更多變化空間。

以近期出貨量最大的消費性電子產品行動電話與數位手機為例，王慶善指出，兩大應用不斷在其中補強諸多功能，不論是各式射頻(RF)技術、照相模組、全球衛星定位系統(GPS)、陀螺儀感測器(Gyro Sensor)、加速度計(Accelerometer)、觸控螢幕、微型投影(Pico Projector)或是儲存裝置，都追求更高程度之整合，因此唯有透過SiP方式將其整合，才能實現消費性電子產品功能多元化之特性。

SiP仍有挑戰須跨越

不過，若說SiP已經爐火純青，卻也並非事實。林崇銘與王慶善均認為，SiP仍有幾項挑戰須要跨越。

林崇銘透露，在執行SiP產品設計時，最常面臨到的一大問題，便是異質整合(Heterogenous Independent)。尤其在射頻元件或類比元件中，要針對不同類型元件的裸片(Die)進行挑選就是一個非常棘手的難題。其中一項原因是相關供應商對提供電性參數模型(SPICE Model)仍有顧忌，因此封裝設計團隊很難預先挑選出功能正常的裸片(KGD)來進行SiP封裝。但對SiP封裝而言，KGD等同於上游原物料，此問題若無法解決，SiP的功效就會大打折扣。

另外，散熱也是亟須解決的問題。眾所周知，愈多的元件堆疊，將愈難進行散熱管理，且在近期相關軟體分析工具發展腳步遲緩的情況下，僅能倚賴手工計算將不符經濟效益。因此林崇銘認為，若想要推動SiP產業往更高層次發展，不論是設計人員的概念、半導體設備、電子設計自動化(EDA)工具與其他周邊均須一併搭配，才有實際效益。

王慶善則認為，談到SiP，就不能忽略業者對「攜手合作」的認知程度。他指出，仔細審視SiP產業鏈便可發現，其上下游關係相當複雜，除了少數幾家整合元件製造商(IDM)大廠外，其餘廠商想要一手囊括所有SiP作業，幾乎是緣木求魚。因此相關業者必須緊密合作，才能各取所需、共創雙贏。

據悉，若欲整合SiP產品，便須依序完成晶片設計、晶圓製造、封裝測試與封裝設計等作業(圖5)。而上述作業無疑是一件相當龐大的工程，再加上部分資訊頗為機密，因此仍有許多晶片設計業者或晶片供應商對SiP充滿疑慮。

資料來源：鉅景科技
圖5　SiP作業流程圖

因此，王慶善表示，要在SiP市場大展身手，不但須要累積深厚的專業知識，也必須在業界培養一定的人脈與信任，才能讓封裝設計業者設計出最佳的SiP方案。目前該公司已陸續掌握全球各主要記憶體晶片供應商的晶圓參數，且除記憶體外，如邏輯晶圓、封裝廠製程參數等，也都是未來方向。

事實上，除了SiP之外，3D IC之產業鏈連結同樣動見觀瞻。如從圖6便可看出，流程中每一項作業的好壞都可能影響下一個步驟。而在國內業者扮演全球半導體關鍵角色的前提下，如何強化業者間的合作，也將是未來的重要關鍵。如工研院日前主導成立的先進堆疊系統與應用研發聯盟(Ad-STAC)便是希望能強化國內業者的連結關係，同時帶來更多收獲。

資料來源：工研院
圖6　3D IC產業鏈

MCP沾光記憶體市場

圖7　科統科技行銷業務處行銷業務部資深經理陳景文表示，透過MCP，各式記憶體將可整合至同一模組上，並視終端應用而彈性調整。

在記憶體受到立體封裝技術逐步成熟而日益起飛的同時，另一項封裝技術亦不可忽略。這項名為MCP的技術，其實在記憶體市場醞釀已久，亦已針對部分市場有所斬獲。

科統科技行銷業務處行銷業務部資深經理陳景文(圖7)表示，在記憶體大行其道的今日，幾乎各式電子產品均需一定容量的記憶體。但因應不同裝置的設計差異，如何在其中提供適合的記憶體解決方案，便是業者競爭力之所在。

如科統科技日前開發出小體積之固態硬碟(SSD)MCP後，又接著推出內建DRAM的2.5吋SSD及採用標準SATA介面規格的SSD模組，後者又可為單階儲存單元(SLC)及多階儲存單元(MLC)兩種記憶體。陳景文強調，透過MCP技術，該公司可為客戶開發出高度整合之記憶體，也同樣包括NOR MCP、NAND MCP與Pseudo-SRAM等。

SoC應用環境有限

相對於其他封裝技術，SoC雖亦有一定優勢，但受限於開發時間長、設計困難、不同單元間之交互作用(Cross-talk)甚至矽智財(IP)的疑慮，都是亟須突破的難題。另外，SoC投資成本負擔太高、材料發展不易、微影(Lithography)技術太過困難(圖8)，也都是問題。另有研究指出，SoC尚須面臨3D電晶體架構(Transistor Architecture)尚未成熟、製程變異性(Variability)難以掌握以及同樣無解的散熱問題(Thermal Dissipation)，因此要將其視為未來最受歡迎的晶片整合方式，恐怕仍有疑慮。不過，儘管SoC技術挑戰所在多有，其適合大量出貨、生命週期長之優勢仍無人能敵。若相關業者能運用SoC找到適合之市場，發展潛力同樣不可限量。