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台积电的先进封装是这样炼成的

Byadmin

Oct 25, 2021
2018-04-18
14:00:16
来源: 官方微信


来源:内容来自天下杂志,谢谢。

2017年11月21日上午,台积研发副总余振华从蔡英文手中拿了中国台湾地区最高荣耀的一个科技奖项,过去得奖者都是中研院院士。

张忠谋不但推荐余振华角逐,得奖后,还亲自道贺,让余振华又惊又喜。

结束后,张忠谋也不疾不徐地对现场媒体详述部属功绩。余振华得奖,靠的是他潜心研发两个先进封装技术──InFO(整合扇出型封装)跟CoWoS。并指着一旁记者手中的iPhone说,「这个就有InFO,从iPhone 7就开始了,现在继续在用,iPhone 8、iPhone X,以后别的手机也会开始用这个技术。」



赢在30%厚度,让台积连吃三代苹果




早年,苹果iPhone处理器一直是三星的禁脔。但台积却能从A11开始,接连独拿两代iPhone处理器订单,让业绩与股价持续翻红。

关键之一,就是余振华领导的「整合连结与封装」部门,开发的全新封装技术InFO,能让芯片与芯片之间直接连结,减少厚度,腾出宝贵的手机空间给电池或其他零件。

余振华解释,手机处理器封装后的厚度,过去可厚达1.3、1.4毫米。「我们第一代InFO就小于1毫米,」余振华说。也就是减低30%的厚度。

「他让台积连拿三代苹果订单,」与余振华熟识的前任半导体协会理事长、钰创科技董事长卢超群说。

时间回到2011年的台积电第三季法说。当时,张忠谋毫无预兆的掷出一个震撼弹─台积电要进军封装领域。

第一个产品,叫做「CoWoS」(Chip on Wafer on Substrate)。意思是将逻辑芯片和DRAM放在矽中介层(interposer)上面,然后封装在基板上。

他提到,「靠着这个技术,我们的商业模式将是提供全套服务,我们打算做整颗芯片!」

这消息马上轰传全球半导体业。

梳着西装头,外表看起像个公务员的余振华,也从那时开始密集出现在全球各大技术研讨会,大力推销这个自己发明、命名的新技术。

当时《天下》记者也对这位处长印象深刻,因为他侃侃而谈、甚至舌战群雄的模样,与一般台积人的低调风格大不相同。

晶圆代工龙头宣告跨入下游,市场登时对封测专业厂的前景打上问号。

日月光、矽品只好到处消毒,说CoWoS这技术只能用在「极少数」特定高阶产品,影响有限。

他会毫不客气的呛回去,「以后所有的高阶产品都会用到,市场很大。」

封测界的不满逐渐累积。终于在一场技术研讨会爆发。

一位矽品研发主管在余振华演讲后发难,「你的意思是说我们以后都没饭吃了,不用做事了?」让大会主持人赶紧出来打圆场。

不久之后,余振华突然在公开场合销声匿迹。「我们想说他怎么消失?后来就听说,是张忠谋出来,要余振华低调一点, 」一位不愿具名的封测厂大厂主管说。

当时余振华的直属上司,前台积电共同营运长蒋尚义接受《天下》专访,解释台积进入封测领域的来龙去脉。

原来,2009年,张忠谋回任执行长,并请已退休的蒋尚义重新掌舵研发。当时最主要任务之一,就是开发所谓的「先进封装技术」。

「因为摩尔定律已经开始慢下来,从整个电子系统面来看,在电路板和封装上,还有很大的改进空间,」他说。

过去几十年,摩尔定律的耀眼光芒,让整个电子系统其他部分的进步,都显得不起眼。封装产业的发展重点也因此移到降低成本,已许久没有重大技术突破。例如,业界主流的高阶技术──覆晶,是个50年前就开发的技术。

张忠谋大力支持,拨了400个研发工程师给余振华,他也不负众望,两、三年后顺利开发出CoWoS技术。

但直到开始量产,真正下单的主要客户只有一家——可程式逻辑闸阵列(FPGA)制造商赛灵思(Xilinx)。

此时,连在台积辈分极高的「蒋爸」,都感受到内部压力。「(好像)某人夸下海口,要了大量资源,做了个没什么用的东西,」他回忆。



冲冲冲,从三星手上抢下苹果肥单




能否夺下iPhone处理器订单尤其是关键。

这个举世第一肥单,长年由三星独揽。例如,2013年量产,用于iPhone 5s的A7处理器,黑色树脂里头,采用的是超薄的PoP(Package on Package)封装,直接将一颗1GB容量的DRAM与处理器叠在一起封装。

三星是举世唯一可量产记忆体与处理器,也有自家封测厂的半导体厂。由它承制,整个A7处理器可在「一个屋顶」下完成,在成本、整合度拥有巨大优势。

因此,尽管三星的Galaxy智能型手机带给苹果的威胁愈来愈大,苹果仍无法摆脱对劲敌的依赖。直到2016年的iPhone 6s,尽管已引进台积,但仍须与三星对分处理器代工订单。

导入CoWoS技术,理论上可让处理器减掉多达70%厚度。但客户却意兴阑珊。

某天,蒋尚义和一位「大客户」的硏发副总共进晚餐。对方告诉他,这类技术要被接受,价格不能超过每平方毫米1美分。

但CoWoS的价格是这数字的5倍以上。

台积电当即决定开发一个每平方毫米1美分的先进封装技术,性能可以比CoWoS略差一些。

「我就用力冲冲冲,」余振华说。他决定改用「减法」,将CoWoS结构尽量简化,最后出来一个精简的设计。

余振华马上向蒋尚义报告,在白板上画图给他说明,「我最后几句话还没讲完,蒋爸已经不管,马上跑去跟董事长讲,挖到一个大金矿。」他回忆。

这就是首度用在iPhone 7与7Plus的InFO封装技术。该技术是台积独拿苹果订单的主要关键。

而且,不只一代。包括几个月前上市的iPhoneX,今年接下来的新款。一位外资分析师表示,愈来愈多迹象显示,甚至2019年、2020年的苹果新产品,台积通吃的可能性愈来愈高。

一位也曾参与苹果订单的封测厂高阶主管则认为,三星算是「大意失荆州。」

当台积提出InFO,封装经验较台积丰富的三星,却发生误判,以为只要将既有的PoP技术稍微改良,就可达到苹果要求的厚度水准。

因此错失先机后,三星要再冲刺自己版本的类InFO技术,就已追赶不及。



打破不可能,「小媳妇」立大功劳




2016年11月,当首度采用InFO技术的iPhone 7大量出货之际,台积公告,立下大功的余振华,晋升为整合连接与封装副总经理。

「一开始没人看好,」余振华感叹。

一位出身台积、担任封装厂主管的前辈,曾当面告诉他,「你们台积电根本不可能成功!」

首先,成本面难与封测厂竞争。因为封装厂也在发展类似技术,而台积的人力成本远高过封装业,因此要求产品毛利要达到50%,但日月光、矽品只要20%就能做了。

外资分析师也看衰。例如,美商伯恩斯坦证券分析师马克.李(Mark Li)当时的研究报告写着:「InFo会让台积相对于英特尔与三星更有竞争力吗?不,我们不认为。」

他认为像三星跟英特尔在封装领域累积的的经验与技术,远胜刚要入门的台积电。例如英特尔跟三星在「扇出型晶圆级封装」的专利数分别名列全球第二、三。而台积连前十名都排不进去。

这些看衰的意见,都言之有理。为什么余振华能够逆转乾坤,完成这个「不可能任务」?

他给了一个令人意想不到的答案,「就豁出去了, I have nothing to lose。」

他斜靠着采访地点的沙发,惨然笑着。

原来,那段时间,正是他人生的谷底。

余振华算是台积第一批归国学人,加入时间甚至比蒋尚义还早。

他在清华大学念完硕士之后留美,在乔治亚理工学院拿到材料博士后,在著名的贝尔实验室做半导体研究,九○年代初期就回国加入台积电,历经先进微缩技术处长、先进模组技术处长。

一位与他认识的前半导体业主管指出,当时余振华「都走在技术的最前端」,台积的CMP(化学机械平坦化)制程,便是他设立的。

台积上一个里程碑,是成功在2003年量产、从此大幅拉开与联电差距的0.13微米一役。

当时,受行政院表扬的0.13微米技术团队六位主管,余振华负责的业务转为铜导线与低介电物质,归类于「后段」制程

原先他负责的先进模组技术,此时由日后投奔三星的梁孟松主管。

他从半导体厂投入资源最多、对产品性能影响最大的前段制程研发,几年间移到后段,最后落脚到「半导体业的传产」──封装。

在这个追逐摩尔定律,以不断「微缩」为主要使命的超高压行业,这形同从最受瞩目的一级战区,被流放边疆。

深深的吐出一口气之后,余振华说,「一开始人不多,前段、后段都我做嘛,到后来人才多了起来,我就一直退、退、退,退到封装去了。」



5年烧坏几千片晶圆,开创CoWoS封装时代




余振华透露,那段时间不只工作变化大,连家庭、家人也出现状况,人生陷在低潮,让他反而燃起破釜沉舟的决心。

台积的InFo与CoWoS,都属于「晶圆级封装」技术,也就是直接在硅晶圆上完成封装。因此可以大幅缩小体积、提高效能。

台积电身为全球第一个量产晶圆级封装的半导体大厂,走在前沿,便有层出不穷的技术难题得解决。例如,棘手的Warpage(晶圆绕曲)问题。

一位也参与苹果订单的封装业高层透露,台积付出昂贵的学费,5年间产线烧坏了几千片昂贵的晶圆。

「听说良率一直上不去,直到去年才达到八成。」一位台积大客户主管也说。

2016年开始,余振华的漫长坚持,终于开始看到曙光。

CoWoS的新客户大量出现。他当年的预测成真:最新、最高阶的芯片,真的都非得用CoWoS不可。

因为CoWoS可让此类产品的效能提升3到6倍。

该年,英伟达(nVidia)推出该公司第一款采用CoWoS封装的绘图芯片GP100,为最近一波人工智能热潮拉开序幕。包括,翌年AlphaGo打败世界棋王柯洁背后的Google人工智能芯片TPU 2.0,这些举世最高性能、造价最高的人工智能芯片,都是CoWoS封装、台积制造

甚至,连2017年底,英特尔与脸书合作推出,要挑战英伟达垄断地位的Nervana类神经网路处理器,都不例外,乖乖的交给台湾竞争对手代工。

「没有CoWoS,最近这么一大波AI不会这么快出来,」余振华自豪地说。他并表示,现在CoWoS的产能已是供不应求。

他并透露,手中还备有几款秘密武器,未来将一一现身。

过去几年,外界在看台积、三星、英特尔的三雄竞争,眼光都摆在七纳米、EUV等梦幻技术的进度。结果,原先不起眼的封测部门,现在俨然成为台积甩开三星、英特尔的主要差异点。

追根究柢,得归功于余振华这十年来的「坚持」。

「我觉得他是个典范,」一位台积主管说,「这么聪明能干的人,可是公司在人事上挪来挪去,他没有怨言,你派我去做什么就做什么,可是我做就一定做到最好。」


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