小型晶圆厂和封装厂“夹缝”生存现状

　　作者：Bryon Moyer

　　在半导体领域，大批量产品备受关注，但现实情况是大多数芯片并不属于这一类。由此，少数巨型晶圆厂和离岸组装与测试厂（OSAT）加工大量芯片，小型晶圆厂和封装生产线则为低产量、专业技术和原型设计服务。

　　“有些公司每季度只生产一批25片晶圆的利基（niche）产品，”SEMI晶圆厂主联盟和微机电系统与传感器行业集团执行董事Tim Brosnihan表示，“这些产品仍然有很好的市场，因为利基和定制部件的利润率更高。”

　　如今，绝大多数芯片都采用标准CMOS（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）逻辑和传统封装技术来生产，但仍有许多行业需要的是大型代工厂和OSAT可能不愿提供的服务。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）需要特殊加工。市场对此类服务需求的强劲，使得小型制造商仍有生存空间。

　　并非人人都需要大批量生产

　　微处理器、图形处理器（GPU）、智能手机应用处理器和存储器以数以亿计的单位发送到世界各地。几乎所有的目光都聚焦在它们身上，因为它们占了出货量的绝大部分。但同时它们只占工程活动的一小部分，其它各种芯片的开发出货量都不大。这一点在军事和航空航天（mil/aero）系统中非常明显，因为这些系统消耗的芯片数量较少。

　　Brosnihan指出，“国防工业使用大量的特种半导体，而且产量很小。军事/航空领域的特殊性在于，它通过国防高级研究计划局（DARPA）推动了许多长期的、有时甚至是领先的技术路线图，但这一领域在采用技术方面仍然比较保守，以确保可靠性和可用性。”

　　“许多其他技术的出货量也较低。”JST首席执行官Ryan Zrno表示，“光电子和化合物半导体制造商不必像我们其他一些大公司那样大批量生产。”

　　虽然健身追踪器等可穿戴设备需要足够可靠，但那些需要获得美国食品及药物管理局（FDA）批准，能够真正声称进行精确诊断或治疗疾病的产品，其出货量要小得多。关键是成品要有足够的利润空间，而包装过程往往是创造价值的要素。

　　Promex Industries首席运营官Dave Fromm也表示：“在有些行业，实际设备本身的价值远远高于BOM（物料清单）。如果我在制造一种植入式医疗设备，我可能会在里面装上价值10美分的元件。但该设备的内在价值很高，因为它需要工作，而且需要具备可靠性，以确保它在任何时候都能按照你的要求完成它应该做的事情。”

　　“大多数传感器的销量并不高，但也有一些明显的例外。”Brosnihan解释道：“手机中的麦克风年销量高达10亿个。但还有很多传感器的产量要小得多，惯性测量单元（IMU）是加速度计和陀螺仪的组合，也被广泛应用于手机中，其余的惯性测量单元往往用于工业机器等更专业的设备。”

　　例如，导航级的IMU比消费级的要贵得多，但其精度也足以实现精确导航，而不仅仅是近似导航。Brosnihan认为，导航级IMU的产量肯定要低得多，而且要在较小的晶圆厂中生产。

　　其他小批量技术包括光电子技术和电力电子技术。然而令人惊讶的是，大学和研发实验室这个市场的小批量硅产品并不多。虽然设备制造商可能会向他们出售一些小批量设备，但数量微乎其微。

　　产量和组合

　　大批量生产往往能获得更先进的硅处理技术。虽然这影响到可用设备和加工工艺的种类，但还有一个基本的控制参数--晶圆尺寸。主流大批量市场的大多数设备都在300mm晶圆上制造芯片。这样做的好处是单个晶圆可生产大量芯片，从而减少了相同产量所需的晶圆数量和加工批次。

　　不过，对于某些应用来说，这种晶圆可能会过剩。300mm晶圆的面积是200毫米晶圆的两倍多，如果能稳定地生产较小的晶圆，而不是按部就班地生产大晶圆，生产计划会更容易制定。但是，大多数生产学习都是在300mm晶圆的大批量生产中获得的，因此这些学习现在也在200mm晶圆上受益。许多应用于300mm设备的先进技术都被移植到了200mm设备上。

　　在考虑产品组合时，“销量”也会有细微差别。Brosnihan强调，特别是德州仪器公司，其产品组合非常丰富，加在一起的产量非常高，但任何特定放大器的产量都可能较低。只要这些芯片大多采用类似的处理工艺，就能以具有成本效益的方式制造出来。

　　一些公司，如模拟器件公司，愿意在自己的专业生产线和商业代工厂之间分工生产。当设备涉及主流技术时，公司则将其外包。Brosnihan说道：“如果你看看以小批量、高混合著称的Analog Devices，他们现在很大一部分业务都外包给了台积电等代工厂，将更多的专业产品留在公司内部。”

　　这为模拟器件公司提供了更大的灵活性，使其能够生产主流部件，从而避免了建立晶圆厂并保持满负荷生产的需要。

　　大批量芯片制造商可能仍会有选择地执行一些低产量项目。Brosniha认为，“我相信台积电可能会以每月100片晶圆的速度生产一些产品。我不会说他们对任何100片晶圆的机会都有兴趣，但他们会挑选那些可能在几年内就能提升到每月数千片晶圆产量的项目。”

　　作为小批量原型

　　与硅片加工相比，封装技术正在经历更多的新配置。越来越多的专用设备将多个芯片以及机械和光学元件共同封装在一起。与硅芯片相比，此类项目的设计往往更加个性化。在这些项目中改进的一些工艺可能会在未来的大批量生产中发挥作用，而另一些工艺则可能是针对特定项目的。Promex的Fromm认为，“我们的大部分收入都来自生产。但是，如果你看一下正在进行的活动的数量，大部分涉及开发新工艺。”

　　顾名思义，原型阶段先于生产阶段，因此产量并不能反映产品最终的出货情况。对于包装来说，试验生产线可以开发和完善工艺，如果产品最终的出货量超过了小型生产线的承受能力，这些工艺就可以转移到大批量的OSAT上。

　　“这些生产线必须能够进行多种工艺。”Fromm表示，“我们将异质集成定义为在封装内结合电子和非电子部件。这包括‘机械锯切和研磨这些器件，使它们变得非常薄。’”他说道，“我们可以切割和研磨硅以外的其他材料，光学滤波器可以用石英、玻璃或蓝宝石制成，还可以切割陶瓷材料等，可以将所有基板切割成内插尺寸。在连接方面，我们有很多焊接或粘合剂连接方法，可以连接小部件，进行机械、电气或热连接，或两者的组合。我们还有保护这些东西的封装方法。”

　　在大多数情况下，硅研发并不遵循“在这里制作原型，在那里进行生产”的模式。SEMI营销传播总监SamerBahou说：“[晶圆代工厂]拥有一条研发线是很常见的，目的是将尖端技术迅速提供给本地客户进行鉴定，并确保它们能够满足那些顶级客户的需求。”

　　Brosnihan表示同意：“我最近对工厂业主进行了一项调查，以了解有多少人在生产线上进行研发。结果发现几乎所有人都在做。”

　　不过，铸造厂倾向于将这些生产线限制在某些特定的新步骤上进行评估。这样，他们就可以在标准生产线上完成其余的处理过程。原因是任何设备的改变都需要对芯片进行重新鉴定。一旦小批量生产合格，就必须使用完全相同的设备直接进行大批量生产。

　　“将研发与生产混在一起，就会产生一个老问题，即生产经理不情愿地将时间让给工程经理。”在Brosnihan看来，现在有了更好的系统，可以确定在晶圆厂中有多少批次分配给工程和研发部门，以及他们的优先级是什么。通常情况下，研发团队只负责一个热门批次。其他一切都按照标准排队时间进行。

　　硅芯片原型通常采用多项目晶圆（MPW），允许多家公司共享晶圆。不过，这只适用于芯片和IP原型。它们不适合小批量生产，因为调度和混合问题将无法控制。如果一家公司的芯片产量增长速度快于另一家公司，那么后者就会因为前者所需的晶圆而导致库存大量增加。