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包装行业短缺

IC需求的意外激增正在溢出到包装供应链中。

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对芯片不断增长的需求正在冲击IC封装供应链,导致精选制造能力、各种封装类型、引线框架甚至某些设备的短缺。

今年早些时候,一些IC封装的现货短缺开始出现,但自那时起,这一问题一直在增长和蔓延。供应不平衡在今年第三和第四季度达到了沸点,现在看来,包装客户可能会在2018年遇到特定的短缺。

这有几个原因。2017年IC需求高于预期,因此客户需要更多的IC封装能力。但包装工厂正在满负荷运转,无法满足许多但不是所有包装类型的需求。

除了IC封装,其他类型的产品也在供不应求,一些人称之为电子行业的繁荣或超级周期。“这真的是一个超级周期,还是我所说的我们从未见过的内在扩张,”阿里巴巴首席运营官吴天恩(Tien Wu)表示高级半导体工程(日月光半导体)是全球最大的半导体组装及测试外包商(OSAT)供应商。“在这个超级周期中,我们在许多领域都受到了限制,包括内存、OLED、无源、引线框架,还有许多其他我可以谈论的领域。即使在设备方面,(例如)芯片粘合剂,我们也存在交付问题。因此,在这一轮,不仅供应受到限制,而且需求在很长一段可持续的时间内都是(强劲的)。”

相比之下,大多数部件短缺的情况都很简单。例如,苹果(Apple)和三星(Samsung)正在吞食全球智能手机的OLED屏幕供应。而在后发展出在美国,尽管需求不断上升,但供应商一直不愿增加产能。然后,在NAND领域,供应商正在从平面NAND向平面NAND过渡3 d与非导致两种产品都出现短缺。

集成电路封装的问题更加复杂,涉及多个市场。以下是更大的问题:

•IC封装行业的工厂利用率普遍较高,但全球200mm晶圆碰撞能力严重不足。在晶圆碰撞过程中,焊接球或铜柱在晶圆上形成,它们提供了模具和基板之间的电气互连。
•200mm碰撞容量的不足影响了特定产品的供应,即用于智能手机的芯片级封装(csp)和射频前端模块。
•然后,由于其他原因,四平面无铅(QFN)封装和晶圆级封装的需求很高或供应紧张。
•对QFN的需求导致引线架(用于这种封装类型的关键组件)的交货时间更长。其次,包装设备的需求比预期的要强劲。

并不是每一种包装类型都供不应求。但总体而言,2017年和2018年对osat的需求一直很强劲。“每个人的工厂都很满,”TechSearch International总裁扬·瓦尔达曼(Jan Vardaman)说。“在这个行业,我们确实看到了更高的利用率。”

但不用说,短缺影响了包装客户的交货时间表。“这也会影响到那些想把产品送出去的人。因此,如果他们的供应受到限制,可能会损害一些人的收入。”“最大的问题是,这种情况会持续多久?我认为没有人能给出一个好的答案。”

这些趋势令消费者担忧。提供IC封装和测试外包服务的OSATs正面临压力。多年来,他们一直资金不足,大多数供应商没有足够的资源来满足苛刻的客户群的每一项要求。

为了帮助业界深入了解业务,半导体工程研究了该领域的主要短缺问题,如碰撞容量、封装类型、引线框架和设备。

碰撞短缺
当前的繁荣周期在2017年让整个行业感到意外。例如,2016年底,世界半导体贸易统计(WSTS)组织预测,2017年IC行业将比2016年温和增长3%。不过,在过去一年中,由于dram和3D NAND的激增,WSTS多次上调了IC预测。在其最新的预测中,该组织预测2017年半导体市场将达到4090亿美元,比2016年增长20.6%。根据WSTS的数据,2018年集成电路行业将增长7%。

IC封装供应链反映了芯片行业的需求图景。在本轮周期中,包装企业在2017年上半年出现了传统的增长模式。

但在今年第三和第四季度,osat在几个领域的需求开始超过预期。“移动,当然,在那里,”维纳亚克Pandey,产品和技术营销副总裁新科金朋.“我们看到了手机以外的需求。汽车和网络是我们现在看到的一些新需求领域。”

这一需求导致osat的订单激增。目前,osat的平均工厂利用率在80%以上,尽管许多技术正在满负荷运行。潘迪说:“osat已经满员了。“如果有任何额外需求,交货时间就会越来越长。”

虽然在几个方面产能紧张,但该行业最大的瓶颈可以说是称为晶圆碰撞的成熟制造工艺,特别是在200mm领域。作为一系列产品的一部分,Amkor,日月光,STATS ChipPAC和其他公司提供晶圆碰撞服务。

作为交钥匙服务的一部分,晶圆碰撞是在200mm或300mm晶圆上进行的。碰撞本身并不是一种封装类型,而是在晶圆上形成微小焊料球或铜柱的制造过程。


图1:常见的碰撞技术。来源:Semitracks

通过碰撞,osat可以开发各种封装类型,如csp、扇出和倒装芯片BGA。csp、扇入和扇出都属于一种称为晶圆级封装(WLP)的类别。WLP涉及到集成电路还在晶圆上时的封装过程。


图2:传统与晶圆级封装流程。来源:Lam Research

倒装芯片是一种互连方案,而不是一种封装。倒装芯片用于应用处理器、图形芯片和微处理器。

在倒装芯片中,微小的凸起或铜柱在模具上形成。该设备翻转并安装在单独的模具或板上。模具或板由铜垫组成。凸起物或柱子落在铜垫上,形成电气连接。


图3:倒装BGA封装。来源:凸版印刷

无论如何,osat都有足够的300mm碰撞能力。然而,令人惊讶的是,市场上严重缺乏更成熟的200mm碰撞能力。

这一不足有几个原因。一段时间以来,IC行业对200毫米晶圆芯片的需求巨大,导致200毫米晶圆厂产能严重短缺。

200mm业务的爆炸式增长已经渗透到供应链,并影响了osat。但200mm碰撞能力的不足主要是由于模拟和射频社区的巨大需求。Amkor凹凸服务高级副总裁Kevin Engel表示:“RF前端模块需要更多凹凸硅,以及更多产品从其他封装类型迁移到WLCSP,推动了对200mm的更高需求。”

事实上,200mm的碰撞不足导致csp和RF前端模块的供应紧张,如果不是短缺的话。射频前端模块由手机中使用的关键射频组件组成。


图4:标准CSP。资料来源:STATS ChipPAC。

模拟/射频芯片制造商争夺200mm碰撞容量是有充分理由的。以前,在包装中,这些供应商使用的是一种传统的技术,称为球滴。这涉及到在晶圆的I/ o上形成焊锡球的过程。滚珠尺寸范围为150μm ~ 200μm。


图5:落球过程。来源:Semitracks

“当你减少球场,你需要减少球的大小。球的大小不能超过一定的数字,”STATS ChipPAC的Pandey说。“所以所有的模拟器件都想缩小它们的芯片,并在设备上放置更多的I/ o。突然间,他们需要一个更小的凸起。你不能再使用抛球了。”

因此,许多模拟/射频芯片制造商正在从球滴迁移到镀碰撞过程。这使得凸点具有更小的间距,但它需要更多的工艺步骤,如电镀。电镀是使IC封装中的铜金属化方案成为可能的沉积步骤。


图6:电镀凹凸过程。来源:Semitracks

潘迪说:“我们面临的挑战是,虽然落球是一个相当快的过程,但电镀不是一个快速的过程。”“这需要时间。因此,容量挑战正在发生,因为从投球到镀球的过渡。”

展望未来,200mm的碰撞能力预计将在一段时间内供不应求。osat过去一直不愿增加200毫米的产能,但一些公司正在改变路线,计划在2018年增加更多产量。

然后,在2019年,模拟/射频芯片制造商可能会从镀金碰撞迁移到铜柱碰撞。今天的许多数字芯片都使用铜柱碰撞,这意味着未来可能会对这项技术进行疯狂的争夺。

包装短缺
与此同时,如上所述,csp和RF模块在市场上供应紧张。其他包装类型的需求也很大。“晶圆级封装的强劲增长仍在继续,”TechSearch的Vardaman表示。“我们也看到了打包系统的增长。我们看到了汽车行业包装的增长。”

对WLP的需求很强劲,比如扇入和扇出。“晶圆级封装的情况与bump类似,”Amkor的Engel说。“行业内200mm和300mm的整体产能紧张。这一趋势开始有所减弱,但将在2018年再次达到峰值。这将是一个挑战。”

大部分需求围绕着传统的扇出封装,即嵌入式晶圆级BGA (eWLB)。下一代高密度扇出组件也在不断增加。台积电的扇出技术已被苹果公司采用。日ASE, Amkor, STATS ChipPAC和其他公司正在生产下一代风扇。

令人惊讶的是,qfn——一种较老但可靠的包类型——也很受欢迎。据分析师称,英飞凌、恩智浦、微芯片、Silicon Labs、意法半导体和德州仪器是QFN的主要推动力。

QFN和quad flat-pack (QFP)属于封装类型的引线框架组。引线架是一种金属框架,由封装引线和框架组成。一个模具附在框架上。引线用细线连接到模具上。


图7:QFN包。资料来源:维基百科

"目前最便宜的套餐是QFN, " STATS ChipPAC的Pandey表示。“QFN是廉价套餐的最佳组合,但它仍然允许你进行一些路由。”

QFN由两个市场驱动——汽车市场和汽车市场物联网(物联网)。他表示:“我们现在开始看到qfn陷入混乱。”“到处都有QFN需求。”

与此同时,据多位消息人士透露,三星也在其最新智能手机上使用QFN。此前,三星在其智能手机中使用的wlp比qfn更多。但分析人士称,在上一款智能手机出现各种问题后,该公司已经改变了方向,现在使用更多的qfn而不是wlp,以确保手机的可靠性。

相比之下,苹果在其最新的智能手机中使用了更多的wlp,包括风扇式和嵌入式扇出包。

与此同时,对QFN的需求正在影响用于制造这些封装的组件,即引线框架的供应。Amkor引线框架产品高级总监普拉萨德•杜德(Prasad Dhond)表示:“QFN需求一直强劲,但可控。”“对于其他产品,自2017年第一季度以来,一些供应商的引线框架供应一直紧张。由于产能短缺,使用特殊粗化处理的引线架需要很长的交货时间。由于铜原料短缺,其他铅架供应商已经推迟了交货时间。”


图8:引线架样品(从左至右)、精密冲压、优质电镀、光刻。来源:三井

引线框架问题
可以肯定的是,引线框架业务正在经历一些变化。据SEMI称,目前市场上约有40家引线框架供应商,其中包括一些小规模的供应商,收入在1000万美元至4000万美元之间。较大的引线架供应商包括ASM Pacific Technology, Chang Wah, Haesung DS, Mitsui, Shinko和SDI。

总体而言,2017年IC封装的引线框架单元预计将比2016年增长10%.SEMI分析师丹·特雷西(Dan Tracy)表示:“可能可以肯定地说,2018年引线架销量应该会以个位数到中位数的幅度增长。”

引线框架业务是一个低利润领域,正在经历一些动荡时期。以下是该行业最近发生的一些事件:

•2016年,由于利润率下降和来自中国的激烈竞争,全球最大的引线框架供应商住友金属矿业退出了这一业务。去年,台湾昌华从住友(Sumitomo)收购了主流引线框架产品。另一家台湾供应商Jih Lin从住友(Sumitomo)购买了动力半引线框架装置。
•2017年,引线框架供应商无法获得足够的铜合金材料,用于制造IC封装的引线框架。
•随后,日立、Kobi、三菱和其他铜合金供应商已经将很大一部分生产从引线框架转向了利润率更高的连接器产品。

总而言之,引线框架供应商和他们的客户面临着一些挑战。SEMI的Tracy表示,"引线架用铜合金存在供应问题。"因此,引线框架制造商及其客户面临着更长的交货时间。”

引线框架供应商需要大量的铜合金材料来制造IC封装的引线框架。然而,最近osat看到了对细间距QFN封装的强劲需求,这种封装对铜的需求更少。“一般来说,用于半导体封装的铜合金用量一直在下降,”特雷西说。“虽然整体引线框架单元仍在增长,但更小、更薄的QFN趋势导致铜合金的消费量减少。”

考虑到这些问题,引线框架供应商在2017年一直面临压力。“从2016年底开始,我们看到(引线框架)市场回暖。当我们进入2017年第二季度时,我们看到市场需求突然发生了非常快的变化,”ASM太平洋科技集团首席运营官兼执行副总裁Stanley Tsui说,该公司是设备、引线架和其他产品的供应商。Tsui同时也是ASM太平洋科技材料业务部门的首席执行官。

大约在那个时候,铜供应商开始将更多的生产从引线架转移到连接器,导致交货时间延长。“由于这一举措,整个供应链变得非常紧张,”Tsui说。“(行业开始)争夺原铜产能分配。”

传统上,先导框架的交付时间为三到四周。然而,据分析师称,到2017年年中,平均交货时间约为10至12周,这引发了市场的“恐慌性购买”。

“在第二季度和第三季度初,我们的交货周期达到了12到16周。有些是20周。这是一个独特的过程,”徐说。“当我们进入第四季度时,市场平静了一些。现在,我们又回到了6或8周的水平。有些是4到6周。”

目前,引线框架市场好坏参半。三井高科法律部门经理Kenji Okuma在一封电子邮件中表示:“由于汽车应用,我们认为对引线框架的需求比以前更高。”三井是目前世界上最大的引线架供应商,生产各种引线架,包括适用于各种应用的超细间距产品。

"总体而言,(引线架)供应紧张," SDI市场和销售部门副总裁James Cheng表示。SDI是引线架和其他产品的供应商。

据程和其他人说,更大的问题是铜合金的供应。事实上,根据SEMI的数据,对于引线框架客户,来自供应商的铜合金的交货期为40至50天,连接器供应商的交货期为30至40天。

来自日本和德国的供应商生产更高质量的铜材料,但这些产品“非常紧张,很难获得”,程说。“他们有更长的交货时间。与此同时,(供应商)也提高了价格。”

中国还生产铜合金。虽然中国供应商有充足的产能,但质量有时达不到标准。“中国的低端铜供应商无法达到一定的质量要求,”他说。

设备前景
除了某些封装类型和引线框架,osat还担心用于制造IC封装的设备的交付时间。

一些设备的交货时间正在延长,而其他设备的交货时间正常或在合理范围内。例如,据全球最大的线材粘接器供应商Kulicke & Soffa的管理人士称,该公司最近为线材粘接器提供了5周交货时间,比正常情况长了两周。

然而,K&S已经看到用于功率ic的楔形粘结剂的订单激增。然而,溅射设备和其他系统的交货时间正在延长。

不过,问题很清楚,2018年将会如何发展?很难预测未来,但包装供应链的短缺预计将持续下去,至少在2018年上半年是这样。

目前,供应商采取观望态度。“我认为在下一波浪潮之前会有一段降温期,”ASM太平洋科技的Tsui说。“(因此,该行业将)有时间稍微冷静下来消化库存。然后,我们将等待下一步行动。”

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1评论

詹姆斯·尼克尔斯 说:

很棒的文章,观点很好。然而,你可能不知道国际微工业公司(IMI)在美国有200mm晶圆碰撞能力。

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