本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自semiengineering

小型晶圆厂和封装厂为何蓬勃发展？

在半导体领域，高产量产品获得了超出其应得份额的关注，但大多数芯片并不属于这一类别。虽然少数大型工厂和离岸组装测试（OSAT）工厂处理着大量的芯片，但小型工厂和封装线则服务于产量较低、技术专业和原型制作的领域。

“有些公司每季度只生产一批 25 片晶圆，”SEMI 晶圆厂业主联盟和 MEMS 及传感器行业小组执行董事 Tim Brosnihan 表示。“这些晶圆的市场前景仍然很好，小众和定制部件的利润率更高。”

如今，绝大多数芯片都使用标准 CMOS 逻辑和传统封装。但许多行业需要大型代工厂和 OSAT 可能不愿意提供的服务。然而，对此类服务的需求仍然强劲。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）需要特殊处理。这让小型制造商得以生存。

微处理器、图形处理单元 (GPU)、智能手机应用处理器和内存，这些产品以数亿台的速度飞速销售。它们占据了出货量的绝大部分，因此受到所有人的关注。但它们只占工程活动的一小部分，开发了各种出货量适中的其他芯片。

这一点在军事和航空航天 (mil/aero) 系统中表现得很明显，这些系统消耗的芯片数量很少。“国防工业使用大量特种半导体，而且数量非常少，”Brosnihan 说。军事/航空航天的不同寻常之处在于，它通过国防高级研究计划局 (DARPA) 推动了许多长期的、有时是前沿的技术路线图，但该部门在确保可靠性和可用性方面仍保持保守态度。

许多其他技术的出货量也较低。“有光电子和复合半导体制造商，他们不必像我们的一些其他大公司那样大力推行产量，”JST 首席执行官 Ryan Zrno 表示。

虽然健身追踪器等可穿戴设备需要足够可靠，但那些需要 FDA 批准并真正声称能够进行准确诊断或治疗疾病的设备发货量要小得多。关键是成品有足够的利润，而包装过程往往是创造价值的要素。

Promex Industries 首席运营官 Dave Fromm 表示：“在有些行业中，设备本身的价值远高于 BOM（物料清单）。如果我制造的是植入式医疗设备，里面的零部件价值可能只有 10 美分。但设备本身的价值很高，因为它需要工作，需要具有可靠性，以确保它能够随时随地完成应有的工作。”

大多数传感器的销量并不大，但也有一些明显的例外。“手机麦克风每年的销量约为 10 亿个，”Brosnihan 说。“但还有很多传感器的产量要小得多。”惯性测量单元 (IMU)，即加速度计和陀螺仪的组合，也用于手机。其余的则往往用于更专业的设备，例如工业机器。

例如，导航级 IMU 比消费级 IMU 贵得多，但它们的精度也足以实现精确导航，而不仅仅是近似导航。“导航级 [IMU] 的产量肯定要小得多，而且都是由较小的工厂生产的，”Brosnihan 说。

其他小批量技术包括光子学和电力电子学。然而，出人意料的是，有一个市场却通常不占据小批量硅片的份额——大学和研发实验室。虽然设备制造商可能会向他们出售一些小批量设备，但微乎其微（当然，这些客户不会为了赚钱而运送硅片）。

产量高往往意味着可以使用最先进的硅片加工技术。虽然这会影响可用的设备和加工类型，但还有一个更基本的控制参数——晶圆尺寸。主流大批量市场的大多数设备都在 300 毫米晶圆上制造芯片。它们的好处是可以从单个晶圆中生产出大量芯片，从而减少了为实现相同产量需要处理的晶圆和批次数量。

然而，对于某些应用来说，这种晶圆可能有点过头了。300 毫米晶圆的面积是 200 毫米晶圆的两倍多，而且通过更稳定的小晶圆流而不是突发性大晶圆计划，生产可以更容易规划。但大多数生产学习都来自 300 毫米晶圆的大批量生产，因此这种学习现在正在使 200 毫米受益。许多添加到 300 毫米设备的先进技术已被移植到 200 毫米设备上。

“产量”与产品组合一起考虑时也会有细微差别。“德州仪器的产品组合特别多，加起来产量非常高，但任何特定放大器的产量可能都较低，”Brosnihan 说。只要大多数芯片共享类似的处理，它们就可以以经济高效的方式制造。

有些公司，比如 ADI 公司，愿意将生产分拆到自己的专业生产线和商业代工厂。当设备涉及主流技术时，公司会将其外包。“如果你看看以小批量和高混合而闻名的 ADI 公司，他们的很大一部分业务现在都外包给了台积电等代工厂，”Brosnihan 说。“他们把更专业的东西留在公司内部。”

这为 ADI 公司生产主流部件提供了更大的灵活性，避免了建造晶圆厂并使其保持满负荷运转的需要。

高产量的芯片制造商可能仍然会选择性地执行一些低产量的项目。“我相信台积电可能会以每月100片晶圆的产量生产一些产品，”Brosnihan 说。“我不会说他们会对任何找上门的100片晶圆的机会都感兴趣，但他们会选择那些可能在几年内能增产到每月数千片晶圆的项目。”

封装正在经历比硅片加工更多的新配置。专用设备越来越多地将多个芯片以及机械和光学元件共同封装。此类项目往往比硅片设计更加个性化。在这些项目中改进的一些工艺可能会在未来的更大批量中发挥作用，而其他工艺则可能是特定于项目的。“我们的大部分收入都来自生产，”Promex 的 Fromm 说。“但是，如果你看看正在进行的活动数量，就会发现大多数都涉及开发新工艺。”

顾名思义，原型设计阶段先于生产，因此产量并不能反映产品最终的出货量。对于封装，试验生产线可以开发和改进工艺，如果产品最终出货量超过小生产线所能承受的范围，则可以将这些工艺转移到大批量 OSAT。

这样的生产线必须能够进行各种各样的工艺。“我们将异质集成定义为将电子和非电子部件组合在封装内，这包括机械锯切和研磨这些设备，使它们变得非常薄，”Fromm 说。“我们可以切割和研磨非硅的其他材料。光学滤光片可能由石英、玻璃或蓝宝石制成。我们切割陶瓷材料和类似的东西，还可以将所有基板切割成中介层尺寸。然后，在连接方面，我们有很多方法可以焊接或粘合连接，连接小部件，机械、电气、热连接，或这些方法的某种组合。我们有封装方法来保护这些东西。”

硅片研发通常不会遵循“在这里制作原型，在那里生产”的模式。SEMI 营销传播总监 Samer Bahou 表示：“（代工厂）拥有一条研发线，以便快速将尖端技术提供给当地客户进行认证，并确保他们能够满足那些顶级客户的需求，这是很常见的做法。”Brosnihan 对此表示同意：“我最近对晶圆厂老板进行了一项调查，以了解有多少人在生产线上进行研发。结果几乎每个人都在进行研发。”

然而，代工厂往往会将这些生产线限制在正在评估的某些特定新步骤上。这样他们就可以在标准生产线上完成其余的处理。原因是任何设备的变化都需要重新认证芯片。一旦小批量生产合格，你就希望能够使用完全相同的设备直接进入大批量生产。

将研发与生产混在一起引发了生产经理不愿将时间让给工程部门的古老问题。“现在有更好的系统来决定在工厂中为工程部门和研发部门分配多少批次以及给予他们什么样的优先权，”Brosnihan 说。“通常，研发团队会得到一个热门批次。其他一切都按照标准排队时间进行。”

多项目晶圆 (MPW) 通常用于硅片原型，允许多家公司共享晶圆。然而，这仅适用于芯片和 IP 原型。它们不适合小批量生产，因为调度和混合问题将难以管理。如果一家公司的芯片产量增长速度快于另一家公司，那么后者将因前者所需的晶圆而出现大量库存积压。

低产量往往分为两类：新产品导入 (NPI) 和永远不会大批量出货的产品。对于 NPI，公司可能会制造少量样品，并用于早期设计、测试和可靠性评估。对于主流产品，一些公司可能会向所有分销商提供库存，因此初始生产量可能很大。其他公司则在收到订单后谨慎地制造设备。

出于上述重新认证的原因，NPI 批次几乎总是与更高后续批量生产在同一晶圆厂生产。然而，有两家加拿大公司拥有独特的模式。一家名为 C2MI（MiQro Innovation 合作中心）的小公司负责原型设计和小批量生产。如果产量超出其管理能力，生产将转移到 Teledyne Dalsa，后者有意将其设备尽可能接近 C2MI 使用的设备，以减轻重新认证负担。这些不是一家大公司的独立部门。“它们是有合作关系的独立组织，”Brosnihan 说。

产量下降也会影响设备。大型晶圆厂需要能够让他们尽可能快地生产大量晶圆的设备。对于许多步骤而言，这意味着尽可能多的晶圆（即机器上的腔室）。小型晶圆厂需要同样的设备，但数量较少。“有些大型企业只专注于大型公司，”Zrno 说。“然而，这些较小的复合半导体制造商需要精密的单晶圆系统，他们不会购买 24 腔室工具。”这为小型设备制造商提供了一个大型企业可能不会瞄准的市场。

不幸的是，地缘政治也会影响制造地点的决定。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。但代价是当地的晶圆厂和装配厂往往成本更高。

主流代工厂不适合光子学和微机电系统 (MEMS) 等不寻常的技术。前者涉及硅和封装。激光器需要复合半导体，然后可以将这些激光器固定在硅芯片上或与硅芯片一起封装。“这些光子电路将引入外部光纤和 V 型槽，”Fromm 补充道，以可靠地固定光纤，并使其具有定位和角度，从而有效地将光传输到光纤中和从光纤中传输出来。

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来衡量。因此，最紧密、最昂贵的工艺是不必要的。传统工艺更具成本效益，200 毫米晶圆通常可以很好地满足此类芯片的较小批量需求。

某些硅工艺（例如用于 MEMS 的工艺）因需要为每个设计采用新工艺或修改工艺而臭名昭著。MEMS 生产往往由与台积电截然不同的公司主导（尽管台积电确实进行了一些小批量 MEMS 工作）。“英飞凌将是最大的 MEMS 麦克风传感器供应商，”Brosnihan 说。“博世生产的 MEMS 设备比台积电多。”意法半导体出货的 MEMS 传感器种类繁多，总产量相当可观。对于其他机会，设计师可以求助于专业的 MEMS 晶圆厂，例如 Rogue Valley Microdevices。

只要制造工艺不太先进，小晶圆厂就可以获得制造所需的设备。虽然一些设备制造商明确制造了主流晶圆厂中设备的小型化、低产量版本，但随着工艺的进步，设备的成本会更高，因此也存在着一定的局限性。

昂贵设备的典型代表当属 ASML 的极紫外 (EUV) 光刻机，每台设备的价格高达 2 亿美元。小型晶圆厂永远无法承担如此高昂的资本支出。这意味着最先进的硅片节点将永远无法被小型晶圆厂所采用。这似乎表明，需要先进硅片但出货量少的伟大创意永远无法实现，因为任何高端产品都必须大批量出货，否则就无法实现。但事实并非如此。

对于利润率足够高的产品来说，晶圆取芯已经成为一种可以绕过这种限制的方法。一个专门的芯片主要由标准处理组成，然后在标准层上添加少量专用层，这并不罕见。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来“功能化”芯片。

由于底层是标准的，只要有足够的产量，它们就可以在代工厂能够处理的任何工艺上制造。问题是它们通常位于 300 毫米晶圆上。后续步骤通常会在仅适用于 200 毫米晶圆的机器上进行。因此，标准的 300 毫米晶圆是“核心”。

“有些公司会购买 300 毫米高密度 CMOS 晶圆，将其打磨成 200 毫米晶圆，然后通过某种工艺在该晶圆上添加用于光学、传感器、光学或生物学的材料，”Brosnihan 说。该工艺成本高昂且浪费，但确实有效。“他们在打磨时会扔掉一半的硅，所以你最好能赚到大钱。”

但对于合适的机会，这种方法可以提供获得尖端和专业处理的机会。

鉴于先进封装的发展，封装厂面临的挑战也越来越大。在一个封装中组装多个小芯片已不再是前沿技术，即使与标准封装相比，它的成本仍然很高。但许多项目涉及进一步的挑战。对于这类产品，工艺尚未稳定下来，成为标准工艺。

“有没有一种配方可以让你调入然后运行一类设备，”弗罗姆问道。“就工艺和输入材料、粘合剂和其他互连材料的质量而言，这可以随着成熟而实现。我们制造的许多设备都非常具体，以至于每台设备都需要一个几乎从头开始的工艺。”

新材料不断在开发中，不仅是硅，还有封装。最大的挑战之一是将不同的材料以一种在温度变化时稳定可靠的方式结合在一起。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。

“在处理这些设备时，回流焊料或固化粘合剂时，温度会发生变化，因此对不同材料之间的 CTE 不匹配非常敏感，”Fromm 说道。“当传统设备中只有一两种材料时，管理起来非常容易。当有三、四或五种不同的材料时，管理起来就比较困难，而且这些材料的 CTE 也各不相同。硅和有机粘合剂的 CTE 相差 10 倍或 20 倍。路径长度会成为一个更大的问题。对更长的杠杆臂上的翘曲非常敏感。这些都是灾难性的问题。零件会损坏，或者零件出厂后会因应力和机械应变而出现潜在故障，从而导致可靠性问题，过早失效。”

新封装方法面临的其他挑战包括共面性，因为必须可靠地连接 PCB 或其他面板上的焊球数量较多。有些封装需要窗口来透光，或者可能有气体或液体端口。“对于许多用于医疗生物技术的此类设备，你需要有某种气腔或某种开窗，”Promex 销售和营销副总裁 Rosie Medina 说道。

医疗封装往往非常专业，尤其是那些通过植入或让患者摄入而进入人体的传感器。这些材料必须具有生物相容性且密封，以保护电子设备免受恶劣环境的影响，反之亦然。

“如果它是内窥镜的一部分，那么就会有一个业务端被焊接到其他东西上，”弗洛姆解释道。“然后，如果我们有可植入物，其外壳是一种特殊的生物安全环氧树脂或粘合剂或某种材料，可以安全地插入体内一段时间，在这种情况下，外壳本身就是一种封装材料。”

封装的 NPI 比硅片更宽容。为了缩短周转时间，在美国本土生产大量样品并不罕见。与晶圆相比，对生产资格的要求没有那么严格。“我们正在快速周转，”Medina 解释道。“客户可能会将一片晶圆送到我们的生产部门，其余 25 片晶圆则送到海外。一旦他们拿到 25 个样品，他们就可以告诉其他人，‘是的，这是一种很好的生产方式。我们已经在本地测试过了。’有些客户可能会出售 IP，所以我们会构建多个测试工具或组装批次的迭代，每次几百个单元，以便他们可以验证它是否按预期运行。”

即使数量较多，某些产品也可能留在本地。“我们见过一些医疗设备，即使数量很大，它们也可能不会出口到海外，因为不值得提出、鉴定和验证新来源，”弗洛姆指出。

但完成新的封装评估可能效率低下且耗时。不同的步骤发生在不同的位置，需要多次转移设备。“最好有一个一站式解决方案，但美国没有好的先进封装实验室，”Resonac 电子业务总部执行董事 Hidenori Abe 表示。“我们有一个学习管道。虽然我们是材料供应商，但我们需要这条生产线来测试我们的材料，然后再将其推荐给客户。我们还在日本运营一个联盟，以尝试不同的设备和材料功能，我们希望将这种模式带到美国”

虽然大型代工厂和 OSAT 无需惧怕小型专业工厂，但这些规模较小的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蓬勃发展。无论是由于特殊的加工需求、预期产量低、封装复杂还是政治敏感，小型工厂和封装线都找到了大量客户。

我们可以把市场想象成一个果园。产量大的芯片制造商和组装公司可以通过自动化技术，大量高效地从树上摘下容易采摘的果实。但他们永远无法收获所有果实。因此，其他公司可以带着专业人员和梯子进来，获取留下的仍然完好的果实。只要所有果实的需求仍然存在，这两种类型的公司都可以做得很好。

这种情况似乎不太可能改变。事实上，鉴于先进的硅片加工技术发展如此迅速，设备也变得越来越定制化，对小批量制造的需求可能会增加。就像传统硅片节点蓬勃发展一样，默默无闻的专业公司很可能会在很长一段时间内继续向上生长。

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