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探索台湾封测产业活力泉源
 

【作者: 鄭妤君】2003年08月05日 星期二

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一颗IC需要经过完整的设计、晶圆制造以及封装与测试等生产程序,才能成为上市产品,而随着全球IC产业技术的不断升级与逐渐走向专业分工的趋势,IC生产的各个步骤早已不再是IDM(Integrated Devicd Manufacturer;整合元件制造厂)可以完全一手包办的,已逐渐转变为由专业的无晶圆厂IC设计公司、晶圆代工厂以及封装测试业者,各自在所专长之不同技术领域中,紧密地连结成一条IC产业链,为IC生产的每一个环节贡献力量。


IC封装测试产业之重要性与日俱增

由这条产业链的各部门来看,IC制程前段之设计与制造业因具备高毛利、高附加价值的特性,且属于IC产品的核心技术,向来在全球市场中较为活跃、亦受到较多的关注,反观IC后段之封装与测试产业,由于在过去属于技术层次较低的劳力密集产业,且两者合计之产值占整体半导体市场比重不到20%,活动情况相对显得低调了许多。然而,随着电子产品日益朝向可携式、行动化的趋势发展,对于内部零组件之轻薄短小与效能表现的要求越来越高,为达到以上的要求,IC封装测试制程技术的配合成为IC生产过程中的重要关键,先进的封装可进一步缩小IC元件之体积,高效率的测试亦是确保产品效能的重要步骤;也因为如此,IC封装测试产业之地位重要性与日俱增,封装测试技术的发展亦成为IC产业升级成长的主要动力之一。


台湾拥有世界少见的完整IC产业链,除了晶圆代工业的表现排名第一,专业封装测试产业的产值亦为全球数一数二;而对于国内的封装与测试业者来说,挑战更高的技术层次与服务品质的再提升,势必是产业前进的动力所在,也是面对中国大陆等地新兴业者竞争时,保持市场优势的唯一途径;以下将就封装测试技术演变趋势以及国内封装测试的发展历程等面向,为读者剖析目前台湾封测业的优势与产业活力所在。


IC封装测试技术发展趋势

IC裸晶因尺寸小、结构脆弱,无法直接做为电子零组件使用,必须以一套包装的方法来保护晶片,为裸晶加上外壳以及与电路板连接的引脚(pin),以达到传递电能、讯号与散热等功效,并透过测试方法确定IC可正常运作,才能成为产品应用在电子设备中。过去一般对于IC封装测试产业的印象,多停留在与电子零件组装与品管线类似的步骤,而早期的IC产品因为功能简单、接脚数(I/O数)少,所需的封测技术困难度较低,与IC前段的设计与制造过程相较,重要性确实往往被忽略。但随着IC产品的功能复杂度提高,封装测试的技术发展已经成为整体IC产业发展的一个关键要素。


五花八门的IC封装型态

@内文IC封装(assembly, packaging;或称构装)依元件与电路板的连接方式,一般可区分为两大类,一是引脚插入型(Pin Through Hole;PTH),即晶片封装后是将引脚插入已预先钻孔的印刷电路板(PCB);一是表面黏着型(Surface Mount Technology;SMT),IC引脚与PCB是以锡膏连结,或是以PCB上的特殊晶片承载器,与无接脚的IC结合。而在这两大类别之下,IC封装因引脚型态与使用材料的不同,又可分为数种不同的类别以下将详细说明。


引脚插入型封装(PTH)

此类封装方式的发展较SMT早,多用在引脚数较少、功能简单的IC产品;而依引脚所在位置与所使用之封装材料为塑胶(plastic)或陶瓷(ceramic),引脚插入型封装包括以下几种:


  • (1)SIP(Singel In-Line Package):引脚仅在IC单侧,用于功率电晶体(Power Transistor)封装,此外还包括用于记忆体(DRAM、SRAM)封装之ZIP(Zig-Zag In-Line Package),是属于较早期的封装技术。


  • (2) DIP(Dual In-Line Package):此种封装方式的引脚位置在IC的两侧,又因封装材质之不同,分为PDIP(塑胶)及CDIP(陶瓷)等;多用于引脚数在64只以下的元件,包括记忆体(SRAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)与微控制器(MCU)。


  • (3) PGA(Pin Grid Array):外观为针状的引脚排列在IC底部,适用引脚数多(可达数百只)、功能复杂之晶片,且具备散热功能较佳的特性;为微处理器(如Intel之Pentium处理器)、绘图晶片常用的封装方式。



表面黏着型封装(SMT)

此类封装技术又分为引脚在IC两侧的SOP(Small Outline Package;或称Small Outline Integrated Circuit──SOIC)与引脚分布在IC四周的LCC(Leaded/Leadless Chip Carrier)、QFP(Quad Flat Package):


  • (1)SOP:用于引脚数在64只以下的元件,包括TSOP(Thin Small Outline Package)、TSSOP(Thin-Shrink Small Outline Package)、SSOP(Shrink Small Outline Package)、SOJ(Small Outline J- Lead)、QSOP(Quarter-Size Small Outline Package)以及MSOP(Miniature Small Outline Package)等。


  • (2) LCC:常见的接脚数在20至96只间,引脚的外观也有两种,一种是引脚为隐藏式,另一种则是称为QFJ(Quat Flat J-Lead Package)的J型引脚LCC。


  • (3) QFP:IC、逻辑IC与各种中低阶元件常用的高脚数封装,包括MQFP(Metric QFP)、MQUAD(Metal QFP)、TQFP(Thin QFP)等不同型态。



除了以上这两大类传统常见的封装型态,为配合IC引脚数越来越高以及元件体积走向轻薄短小的趋势,1990年代之后开始发展以锡球连接晶片与电路板的新一代BGA(Ball Grid Array;闸球阵列)封装方式,并进一步发展出FCP(Flip Chip Package;覆晶封装)、CSP(Chip Scale Package;晶片尺寸封装)、WLP(Wafer Level Package;晶圆级封装)、TCP(Tape Carrier Package;卷带式封装),以及结合多种封装技术将多颗晶片结合在一起的MCM(multi-chip module;多晶片模组)、SiP(System in Package;系统级封装)等高阶封装技术。


而对于现代IC封装业者来说,除了提供客户多样化的封装服务与高阶技术的掌握,还有哪些保持市场竞争优势的关键条件?钰桥半导体副总经理吕春荣表示,封装业者配合客户之需要,进行新型封装技术──尤其是SiP的研发,是迈向成功的一个关键要素;世界第二大封装厂日月光半导体研发总经理李俊哲则认为,封装业者在核心封装技术、封装材料与测试技术上的整合,是提供客户完整服务的竞争策略之一;随后将再详细介绍台湾封装业者的成功经验。


系统级产品为测试业者新挑战

不同于封装技术种类的多样化,IC测试技术的种类相对单纯了许多,依IC制造的不同阶段,分为晶片测试(Wafer Sort或Circuit Probe)与成品测试(Final Test或Package Test)两种。前者是以探针在产品仍于晶圆制造阶段时进行晶粒(Die)的良莠测试,部分晶粒亦可透过雷射修补;成品测试则是在IC封装之后执行,确定IC成品的功能与规格符合要求,又分为电性测试与机械性测试等主要内容。而依IC产品的种类,测试又分为记忆体测试与逻辑IC测试等种类,IC引脚数量越多,测试技术也愈趋高阶。而一般标准化产品(如记忆体)因规格统一,在测试上的困难度较低,反之非标准型产品如ASIC、SoC,是测试技术须克服之瓶颈所在。


目前国内提供测试业务的厂商,有不少都是同样具备封装业务的IC封装测试业者,如福雷(日月光)、矽品、南茂科技,但亦有提供专业测试服务而在市场中表现亮眼的纯IC测试业者,如在2002年排名国内第一大测试的京元电子。京元电子营业中心副总经理林信彩表示,测试业者的产能规模与交货速度,确实为维持市场优势的主要条件,但随着IC产品走向多功能、系统化发展,对于IC测试业者来说,须结合不同技术之SoC的测试与配合SiP技术之产品测试,都是必须迎接的挑战。 (有关高阶封装技术为IC测试带来之挑战,请参考本期封面故事单元文章)


充满活力的台湾IC封测产业

在如前文所提,IC制造后段的封装测试步骤因技术层次较低且所需劳力成本较高,所以成为IDM最早将之独立外移的部门,尤其是在过去与电子组装类似技术的IC封装业。


台湾封装测试产业发展历程

台湾半导体封装产业之萌芽,即是起始自欧美日等国电子业IDM因成本考量,而将产品后段电晶体组装生产线移往人力低廉之亚洲地区的1960年代。当时我国政府以优惠政策吸引来台投资的外商电子封装厂,包括高雄电子(Microchip,1966)、飞利浦建元(​​Philips,1967)、台湾德仪(Texas Instruments,1971)、捷康(Siliconix,1974 )、台中三洋(Sanyo,1976)、吉第微(1981)、摩托罗拉(Motorola,1985)等;这些封装厂承接母公司技术与订单,业务内容也由初期的电晶体组装,在1970年代全球IC产业起飞之际转向IC构装。


继外商投资成立的封装厂之后,台湾自有封装业则在1970~80年代我国开创专业晶圆制造业时期,在政府的资金补助与技术辅导之下陆续成立并蓬勃发展,本土业者包括较早期之万邦、环宇、华泰、菱生、华旭,以及后起之秀日月光、矽品、鑫成等。历经三十年的发展,据工研院经资中心(IEK)的统计资料,2002年台湾本土封装厂数量为39家,产值达788亿台币。


在测试业部份,在1970~80年代我国IC产业发展初期,IC测试仍是IC封装厂或晶圆制造厂内的一个部门,如高雄电子、飞利浦建元电子与联华电子之测试部门,并未有专业测试厂的设立,直到1988年专业逻辑IC测试厂立卫科技成立,台湾始有IC测试业的产业型态出现。据IEK的统计资料,2002年台湾本土测试业者共有35家,产值为318亿台币。


台湾封测业之活力所在

我国当初吸引外商来台投资IC封测业并引进相关技术的主要优势条件,是在于成本低廉的劳动力,但随着东南亚各国在1980年代之后陆续加入竞争,外商在台湾的投资减少,我国的封装测试产业转向以本土企业为主,不能再以跟随技术或劳力密集等方式取得市场优势,因此技术的研发与服务品质的提升,即成为封测业者努力的方向。而目前台湾封测业者的技术虽还未能领先美、日等国,但水准差距并不大,且包括产、官、学、研各界皆投注心力于创新研发的工作,未来仍有机会超越。


以目前全球前十大封测代工业者来看,台湾封测业者占了6个名次,分别是第二、第三名的日月光与矽品,第六、七名的华泰与南茂以及第九、第十名的京元与华东先进,六家业者2002年封测营收总计达26亿6000万美元。李俊哲表示,台湾封测业者的竞争力早已超越国际水准,在全球市场中的重要性日亦显著,再加上国际IDM厂在技术上的研发已经呈现停顿状态,并将高阶封测订单释出给台湾厂商,我国封测业者持续成长的潜力无穷,而技术的创新研发更是国内封测产业未来更进一步超越美、日等国的活力来源。


研发是封测产业成长原动力

于1984年成立之日月光,历经20年的发展,已成为全球排名第二的世界级封装测试业者,在美、欧亚洲各地皆有生产或服务据点,业务内容由原本的半导体封装扩展至测试(福雷电子)与构装材料(日月宏科技),可提供客户完整的IC后段解决方案。李俊哲表示,目前日月光有几个基本发展策略,一是持续以低成本的新技术争取IDM手中的高阶封测订单,此外则是发展整合各种技术的系统级封装测试服务,并配合先进IC构装材料(如环保无铅封装)的发展,持续投入前瞻技术之研发。


技术之创新研发不只是封装业者不可忽略的工作,对于测试业者来说一样重要;成立于1987年之京元电子,内部即有测试研发部门的编制。林信彩表示,IC测试业的成功不只是先进机台与大量产能,如何配合硬体设备开发更有效率的测试软体,是测试业者提升市场竞争优势的关键;而目前京元之测试技术研发团队,即是特别针对客户之需求与市场趋势,在软体设计与测试机台硬体之改善上投注心力。


完整产业链为封测技术发展后盾

台湾的完整IC产业链对封测业者来说亦是发展的优势;林信彩表示,封测是IC产业链中处于较被动位置的一环,因此京元也积极与IC设计业者、晶圆厂保持紧密联系与合作,随时配合IC产品多变的趋势,掌握与新产品同步的技术。而能结合IC产品制造前、中、后段之力量,提供客户完整之解决方案,以缩短产品上市时程,更是台湾封测业者服务品质的保证。


此外,与国际其他同业间的相互交流亦为获取国内封测业者获取技术新知的策略之一,李俊哲表示,台湾向来在基础科学上的能力较弱,也是封测技术发展瓶颈所在,因此日月光除了重视与国内产业链上下游业者之合作,亦加强与欧、美、日等国的业者之交流,以做为开发前瞻技术的动力来源。


中小型利基业者的无穷潜力

除了大型封测业者的杰出表现,台湾亦有不少以利基技术为竞争优势的中小型封测业者,尽管没有庞大的产能与先进设备等条件,未来成长的潜力仍不可小觑;其中成立于2000年,以提供系统级封装设计服务为主要业务的钰桥半导体,即是一个成功案例。吕春荣表示,对系统厂商来说,如何在空间越来越小之电子产品内部挤进各种不同功能的电子零组件,是必须要克服的一大问题;但此时SoC在设计与良率上仍有许多瓶颈待克服,设计成本高、产品开发时间又太长,因此以SiP封装技术成为许多系统厂商的首选。钰桥所提供的服务,即是配合客户不同产品的功能需求,设计出以各种封装技术结合而成的SiP型态,以达到多功能整合与低成本的种种目标。


吕春荣指出,钰桥并无自有封装厂、研发团队亦不到十人,但自成立至今短短三年已取得60项封装专利,为各种可携式电子设备设计出多种高效能、小体积的封装型态,目前钰桥开发之包括结合多层记忆体晶片、可用于记忆卡的堆叠封装技术,以及将影像感测系统整合封装、用于可拍照式手机的3D SiP技术等,皆具备国际水准,除了提供系统厂商采用,未来亦不排除与封装厂技术进行技术转移合作。而这样在国内外皆十分少见的封装设计服务业,以其充沛的研发能量,未来的发展潜力无穷。


结语

IC封装测试产业虽然产值与技术不如IC设计与晶圆制造业来得受到大众瞩目,但看似步骤简单与机械化的制程背后,仍有一番值得深入探究的深奥学问,创新研发的动力绝不输给IC设计产业。国内IC封测产业尽管向来受到的关注较少,但却已经在国际市场中崭露头角,是IC产业链中不可忽视的一环;相信在IC制造技术持续升级至深次微米、奈米等级的同时, IC封测技术的进展亦成为整体IC产业向上提升的关键动力所在。无论是国内封测业者或政府相关产业政策的推动,都须即时掌握此一趋势进展,才能维持台湾之竞争优势,在激烈竞争的全球市场中不断成长迈进。


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