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我国发展IC基板的契机
 

【作者: 吳明木】2000年08月01日 星期二

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由于通讯、网路、消费性电子及可携式产品大幅成长,对IC的轻薄短小、高频、高积度、高速与高散热率需求日增,采用系统化晶片的比率将会日渐提高,因此BGA、CSP与Flip Chip等可缩小IC面积的封装产品将成为产品主流。由于基板占IC封装成本的20%~50%,国内封装厂商目前仰赖日本进口,若国内基板产业能够自给自足后,对国内IC封装业在材料掌控及降低封装成本有相当正面的助益。


用于封装高脚数(约300脚以上)或高效能的IC,如晶片组、绘图晶片、ASIC与微处理器的BGA基板为国内封装厂商的发展重心。自去年BGA基板价格不佳,日本厂商由于利润有限,供给意愿低落,因此逐渐释出产能;但BGA未来成长性仍够,加上今年价格已回稳,造就国内厂商相当大的机会。IC技术不断的推陈出新,高密度封装技术的重要性也更高,国内印刷电路板发展渐朝向更高阶产品发展,能够提供低价、0.5mm以下间距IC基板的印刷电路板厂商将是此一市场趋势的赢家,并可摆脱以往PCB的恶性竞争。


今年国内在IC基板市场方面最有成绩的厂商当属华通,为Intel CPU用FC-PGA基板主要供应商;国内IC基板技术已登上国际舞台,由于Intel为Flip Chip技术最大的应用者,未来华通在Flip Chip基板有机会领先全球。 BGA基板目前国内以全懋接单及获利最佳,而耀文在VBGA、EPBGA、SuperBGA今年也有不错表现,已开始进入获利阶段。另外欣兴在手机用CSP基板方面也有成果;国内已经具有IC基板产业的雏型。


华通IC基板已具世界级地位

1999年全球PCB市场规模约有364亿美元,至2004年将成长至552亿美元左右。过去几年国内PCB的产值在全球的占有率约为8%左右,1999年已提升至9.6%,产值仅次于美、日。国内半导体制程在今年由0.25微米快速走向0.18微米,而新一代封装技术也从BGA提升到Flip Chip,未来CPU及记忆体模组的发展走向晶片尺寸封装技术,国内P​​CB厂商在BGA、CSP等IC基板的大幅成长,加上细线距、微小孔的高密度内部连接板(HDI)的发展及Microvia的需求,估计未来国内PCB的成长幅度相当可观。


传统PCB制造过程较弹性,原料投入后只要成品没有问题,虽然有标准作业程序,但并不严谨。而IC基板则完全不同,由于IC单价高,对于承载基板的品质要求特别严格,原料从投入、制作至成品产出,整个流程必须完全掌控,才能避免品质出现不可预期的误差。因为这种差异使得印刷电路板厂商在过去几年一再修正错误,并开始以IC制程思维来考量制程设备,华通大园IC基板厂的设立已摆脱传统PCB厂的模式并踏出成功的第一步。


华通在Flip Chip技术上已经突破,今年在产品技术与良率上都已提高,并成为Intel FCPGA基板主要供应商;华通在IC基板的研发与生产,为国内在IC基板市场发展上开启有利的地位。新一代封装技术分别为覆晶构装、晶圆级构装及TFT-LCD驱动IC构装。覆晶式(Flip Chip)封装已经被视为IC封装轻薄短小的趋势,根据Prismark的统计,至2002年全球覆晶晶片的消耗量将会增加一倍,从印刷电路板占有率及成长率来看,IC基板及增层板将是最具成长性的产品,而华通发展IC基板的成败将成为国内PCB业转型的指标(表一)。



《表一 各种印刷电路板占有率及成长率预估》
《表一 各种印刷电路板占有率及成长率预估》

国内PCB技术层次紧追美日

在PCB细线化、高密度及小孔径的要求下,增层法制程成了技术上解决的唯一方案,能提供高良率及价格降低的增层法技术将是未来的主流,其中HDI制程技术结合感光成孔、雷射钻孔优点,将会是增层法制程技术的新发展趋势。由于CSP、Flip Chip所需的基板孔径更小、更高密度、更小的线宽线距,将比BGA基板要求更高,而HDI制程技术将可解决CSP与Flip Chip在封装上的问题(表二)。



《表二 2000年至六月止国内雷射钻孔机分布情况》
《表二 2000年至六月止国内雷射钻孔机分布情况》

未来美国PCB发展将着重于高阶IC基板制程等相关设备的研发,欧洲地区目前有能力以雷射钻孔技术生产增层板及IC基板的厂商仅剩AT&S、PPE及Aspocomp三家,日本目前仍是增层法技术发展的龙头,但市场占有率将逐渐被台湾瓜分。台湾PCB厂商近年来持续扩充增层法基板的产量,而为满足IC载板等产品的需求,也将持续导入雷射钻孔机台;目前雷射钻孔机台数目仅次于日本,以国内PCB厂商的企图心,将以取代日本高阶PCB为主要目的,因此高阶设备的大幅成长应是可预期的。


虽然IC基板产业成为PCB转型的主流,但仍有PCB大厂举足不前,所考量因素多为投资风险过大、加工技法无标准化及半导体技术变迁快速等,其主要评估如下:


1.投资多层印刷电路板仅需883万~1,765万美元资金,但发展IC基板所需资金却远超过于此。


2.IC基板品质要求较高,目前国内PCB业者技术能力尚无法满足相关制程要求,难以争取到固定客户。


3.目前全球IC基板加工技法种类繁多,单发表过的基板制造技法就超过50余项,且基板材料和设备也仅少数业者开发,在缺乏相容性情形下,PCB业者需承担制程设备不符的风险。


4.目前全球IC基板市场上有90%以上是使用Polyamide材质的硬板,BT等材质的硬板市场才刚形成。由于PCB业者发展软性基板的基础不足,在发展新一代半导体产品将十分困难。


封装型态改变刺激IC基板需求

IC封装型态包括DIP(Dual-In-line Package)、SO(Small Outline)、TSOP(Tiny Small Outline Package)、QFP(Quad Flat Package)、PGA(Pin Grid Array)、BGA、CSP及Flip Chip等多种(表三),随着晶片整合之趋势兴起,晶片集积度、复杂度提高,封装业者的技术挑战将逐次提升。传统封装技术以打线(Wire Bond)为主,已不能满足未来技术需要,成长幅度较大的是具有高密度、精细化、多接脚化、封装面积小等特性的BGA及CSP等(表四)。



《表三 封装型态及产品应用》
《表三 封装型态及产品应用》

《表四 全球IC封装生产量预测》
《表四 全球IC封装生产量预测》

基于下列几点原因及全球IC封装生产量的变化,可知BAG﹑TAB﹑CSP及MCM将是未来封装产品主流。


1.因应晶片功率及讯号之传递,封装脚数在300~600脚以上,传统导线架之封装将面临高频率之难题。


2.在高速运转、高脚数之架构下传统封装的Wire Bonding不足以应付此封装结构,而Flip Chip连接方式却可解决。


3.高阶晶片或ASIC之I/O数不断提高下,QFP良率随着脚数的增加而下降,基于成本及良率的考量有利BGA发展。


4.阵列式(Area Array)在相同尺寸下较QFP容纳更多之脚数,且200脚之QFP与2 Layer BGA成本相当。


5.在散热及电性上BGA等产品上较优。


BGA是封装型态的一大转变,它与传统封装最大的不同就是以锡球代替金属导线架作为IC与电路板之间的接脚,且锡球是以阵列的方式在底部布置,不同于传统封装是以导线架在周围做引脚。 BGA后续工程的良率较高,因BGA是采塑胶或陶瓷等材料作为承载晶片的基板,因此在电气、散热等特性上优于传统封装方式,特别适合微处理器、绘图晶片等高性能晶片使用。另一方面因应DRAM之容量愈来愈大、速度愈来愈快的趋势,预计Rambus DRAM将在2000年以后扩大占有率,因此DRAM封装型态逐渐由TSOP转向μBGA(表五)。



《表五 日本IC基板产值变化》
《表五 日本IC基板产值变化》

封装技术往轻薄短小发展

随着Portable Devices(PDA/Palm PC)市场茁壮,封装型态逐步地往小型化、薄型化发展,Fine-Pitch Package将慢慢地成为封装之主流,而miniBGA、μBGA、Flip Chip及MCM(多晶片模组)为未来封装业必须发展之产品线。CSP与Flip Chip可降低晶片与基板间的电子讯号传输距离,适用于高速元件的封装,另一方面可降低晶片封装后的尺寸,使封装完成后的尺寸接近于封装前,因此适用缩小封装面积的IC元件,应用的范围包括有高阶电脑、PCMCIA卡、军事、个人通讯产品、钟表以及液晶显示器等(表六)。



《表六 全球各类封装市场消长趋势》
《表六 全球各类封装市场消长趋势》

90年代是BGA高成长时期,但目前CSP已有取代的趋势。 CSP并没有一个全球统一的定义或标准,目前CSP大约是指封装产品的面积只比晶粒面积多20%以内,而封装产品的接脚间距在1.0 mm以下者。 CSP的崛起归功于可携式产品尺寸不断地缩小,而行动电话是带动CSP市场急速成长的主因,CSP可以让封装面积缩减到用TSOP时的四分之一到十分之一,非常适合作为行动电话用大容量型快闪记忆体的封装;目前CSP的市场规模虽小,但成长潜力十足。另外为达高效能的目的,PC及游乐器所用的记忆体也有采用CSP的情形,如PS2使用的Direct Rambus DRAM就是采用CSP封装(表七)。



《表七 先进封装技术CSP及MCM的比较》
《表七 先进封装技术CSP及MCM的比较》

国内IC厂商渐重视基板来源

国内封装厂商跨入BGA封装制程经过2~3年的时间,才开始有相关产品的出货,但PBGA/E-PBGA之占有率始终不高。由于全球BGA技术日趋成熟,国内除了三大厂进入量产外,鑫成也积极发展BGA并从工研院引进TE-PBGA,其他封装厂上宝、福懋、华特及专以发展Tiny- BGA之胜开亦投入BGA之开发(表八)。



《表八 国内IC封装型态分布》
《表八 国内IC封装型态分布》

由于日本高阶封装产品因单价下跌及成本下降不易,将产品转移到台湾及韩国封装,国内半导体代工的优势在于价格竞争及交期短,所以对于相关原材料掌握能力就变的很重要。国内半导体主要封装业者在99年之前BGA基板需求完全依赖日本进口,封装业者在价格竞争上一直处于不利的地位,封装业者为了能成为全球主要BGA封装基地,开始重视BGA基板的取得。台湾IC上中下游彼此结盟之现象非常明显,国内半导体业者纷以策略联盟方式掌握BGA相关原材料的供应,积极将触角伸向IC基板产业。


为了更能掌握IC基板来源,联电集团大举投资旭德及群策,群策目前以生产CSP基板为主,由于较具半导体模式的观念,因此未来发展潜力颇佳;矽品投资的全懋由于投入时间较长并掌握机会,因此在发展上较为快速,已经在大量生产BGA产品;日月光集团投资之日月宏在BGA基板方面目前月产量也约在400万颗;华泰投资的嘉孚虽然尚未投入IC基板,但国内三大封装厂已开始重视基板产业,使国内未来在IC封装基板原材料掌握度更高(表九)。



《表九 IC基板厂商与半导体业界关联》
《表九 IC基板厂商与半导体业界关联》

BGA基板价格止稳,未来有可能供不应求

BGA的用途中有50%在于晶片组及绘图晶片,99年我国厂商虽大举扩产,但因正处发展初期,Intel等国际大单争取不易,因此厂商皆处于练兵阶段。 BGA因其构造及性能的优异性,市场需求不少,加上价格已大幅滑落,今年出货量已明显成长,成为我国封装厂商获利的重心。今年国内封装厂的成长主力仍将以BGA产品为主,至于更先进的CSP、Flip Chip等产品,较佳的成长时点应会在2001年下半年。


99年全球BGA封装市场需求达到13亿颗,到2001年为20亿颗。目前PBGA基板全球一个月约有1.5亿颗的需求,2000年约有40%~50%的成长,主要生产厂商多以日系如JCI、IBIDEN、Shinko、Fujitsu厂商为主,而目前国内以全懋产量最大,耀文次之。今年BGA基板市场在产品应用需求日益扩展下,加上日商因成本效益考量选择退出市场,在供需明显消长下,目前市场需求已略高于供给量;加上市场供需在BGA产品市场应用逐步起飞下,供需无法满足的压力将造成价格的调涨,因此基板的供应也将成为封装厂出货的关键。以国内及南韩业者扩厂成长率不及市场需求量来看,2001年缺货情形将更为严重(表十)。



《表十 BGA基板应用及1999年全球主要厂商占有率》
《表十 BGA基板应用及1999年全球主要厂商占有率》

由于价格下滑速度快​​,自99年下半开始主要BGA基板供应商如韩系的Smasung及日系的新光、Common及CCI因成本效益的考量,选择退出市场,生产线朝向新一代封装CSP、MCM及Flip Chip发展,并将相关产能转移到台湾。第二季Intel 820晶片组中的MTH晶片转换功能出现问题,使得主机板厂对国内晶片​​组供应商如威盛、矽统及扬智的产品需求大幅提升,创造出国内发展BGA基板的最佳机会(表十一)。



《表十一 我国IC基板市场规模变化》
《表十一 我国IC基板市场规模变化》

因国内封装厂商使用的BGA基板目前仅有全懋及日月宏供应,但两厂今年的产能都无法赶上市场需求的大幅成长,因此日系厂商今年占国内BGA基板的来源仍将高达60%以上。在看好市场发展潜力下,目前PCB业已全力投入IC基板的生产,并陆续引进新设备,配合客户合作开发,研发方向朝Flip Chip、增层法(Build up)及高散热型PBGA(Cavatity down)基板发展。由于全懋及南亚电路板2000年产能锁定每月2,000万颗,再加上PCB厂商华通、耀文、欣兴等已投入IC基板的领域,未来台湾有机会成为全球IC基板主要供应地(表十二)。



《表十二 台湾发展IC基板现况》
《表十二 台湾发展IC基板现况》
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