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台積電苦熬10年的「這項技術」如今獨吃蘋果訂單 背後故事竟與梁孟松有關?

2020-12-30
作者: 林宏達、林苑卿

▲半導體狂潮二部曲:封測再起,尋找下一個贏家。(圖/資料室)

台灣半導體產業正走上新拐點。2020年開始,封測將成為半導體產業的新明星,追上潮流的公司已經「惦惦賺三碗公」,這將會是台灣下一個發光發熱的全球第一。

過去被視為低毛利、低成長的封裝產業,2020年起不同了。許多封測廠的營收獲利在2020年創下成立以來新高紀錄;與此同時,在台積電帶頭下,台灣封測供應鏈正在進行近年來最大規模的擴廠計畫。「我入行27年,第一次聽到所有封測大老闆說,接下來會好10年」一位設備廠主管說。

全台瘋擴廠日月光手筆最大

12月底,本刊採訪團隊到台灣各地實地觀察各廠擴產狀況。在苗栗,台積電第5座先進封裝廠正在趕工興建,整個基地約有2個足球場大;在高雄,全球最大封測廠日月光投控,除了建立5G無人工廠,更宣布要再興建7座無人工廠,甚至要挑戰三星的規模,未來要在台灣多聘20000人,成為台灣最大雇主。

▲5G、AI和電動車等新應用帶動半導體需求,Prismark預測,2024年之前全球封裝產業每年將以5.6%速度成長。(圖/彭世杰攝)

走進竹科旁的湖口工業區,全球第9大封測廠頎邦科技的新廠房大樓,已進入完工階段;不遠處,全球第5大封測廠力成,也買下台積固態照明舊廠,正準備改裝成最先進的面板級封裝技術生產基地。力成執行長謝永達說,這座廠將於2021年第1季完工,2022年開始試產。

高階載板擴產速度更是急如星火。「高階載板現在非常非常缺,連台積電都會擔心載板供應短缺。」一位封測廠總經理說。在桃園,我們也看到欣興如巨艦般龐大的新廠,主體結構已完成,將生產技術難度最高的ABF載板。

不只高階製程,傳統封裝業者也在擴廠。生產半導體封裝導線架的長科,也正在高雄加工出口區建新廠。董事長黃嘉能說:「現在下單,交期要排到半年以後。」此外,謝永達也透露,力成旗下的超豐「2019年才剛蓋廠,2020年就滿了,明後年,還會再蓋廠」。

現在,整個封測產業鏈,從最高階的晶圓級封裝,到最傳統的打線封裝,全都是旺!旺!旺!

導線架搶手訂單交期排到半年後

美國知名市場調查公司Prismark資深顧問Brandon Prior,接受本刊採訪時指出,全球封裝產業,不包含測試,市場規模為570億美元(約新台幣1.61兆元);2019年到2024年,全球封裝市場每年會有5.6%複合成長率,「封裝會比整個半導體市場成長速度還快」。

▲日月光投控新的5G無人工廠(上圖)廠房內看不到幾個人,廠房陳設已和晶圓廠愈來愈像,和過去勞力密集的產線(下圖),已有很大不同。(圖/取自網路、攝影組)

他分析,若只看先進封裝,目前市場規模約為57億美元,其中,覆晶封裝會以半導體市場的2倍速度成長;此外,高密度扇出型封裝(屬於晶圓級封裝)也會翻倍成長。他認為,即使是成熟的打線封裝製程,需求也會增加,「但年成長率約在5%以下」;同時短期內大部分半導體產品不會有供過於求的狀況。

封裝產業翻紅,原因之一是電腦不再只是用來打字、上網,AI和5G對運算能力的需求極為巨大,而且半導體製程微縮愈來愈困難,成本愈來愈高。

過去30年,微縮技術就像是現代煉金術,讓同一片晶圓,切割出更多、效能更好的晶粒;雖然總成本上升,但因為晶粒數也增加,產品平均成本降得更低,同樣一片晶圓,可以變出好幾倍的營收。不過,製程微縮帶來的經濟效益,已經開始改變了。

先進封裝正夯晶圓廠成長新動能

根據美國喬治城大學安全與新興技術中心(CSET)的調查,過去3個世代,台積電做出的晶粒平均價格都大幅下滑,但是最新的5奈米製程製造出的晶片,平均價格不降反升,比前一代多出了5美元。5奈米製程投資成本較前一代增加近一倍,要製造5奈米晶片,不但要用到昂貴的EUV(極紫外光)設備,而且每一片5奈米晶片要用到多達14道EUV光罩加工。

因此,為了讓未來晶片的性能繼續提升,價格持續降低,台積電等半導體廠早已研發晶圓級先進封裝;因為,如果整顆IC都用最先進的製程製造不划算,新的方法是,只有晶片最重要的部分用最先進製程製造,其他次要功能,像電源管理、天線元件,則沿用舊的製程,透過封裝技術,整合成一顆晶片。

台積電董事長劉德音2020年就公開表示,微縮加3D IC技術,未來能讓每單位運算密度每2年成長2倍。

台積電為了先進封裝技術苦熬10幾年,這個故事還跟日前才宣布離開的中芯共同執行長梁孟松有關。當年,梁孟松是研發線寬微縮的一流技術高手,梁孟松力求表現,希望能爭得台積電副總位置。當時,在台積電內部,只有研發線寬微縮的人才,叫一流人才。

技術大競賽自備化成標準配備

但是,當時台積電高層希望梁孟松轉向研究先進封裝,超越摩爾定律,這是個冷衙門,短期內也不會賺錢,梁孟松因此拂袖而去。卻沒想到,他的同事余振華接下研發先進封裝的命令後,苦熬多年,台積電不但因這項技術獨吃蘋果訂單,余振華也因此升任副總經理,台積電創辦人張忠謀還推薦余振華拿下總統科學獎。

「以後晶圓廠要靠先進封裝成長。」業界人士觀察。因為傳統封裝是靠打線機把一條一條線打在晶片上完成,一顆晶片頂多能串連數百、上千條線,晶圓級的先進封裝,卻是用半導體製程,把一個個顯微鏡下才能看見的金屬接點接在晶圓上,串連上萬條線路,線路密度可以達到傳統封裝的數10倍以上。

▲台積電竹南新廠。(圖/攝影組)

全球封測龍頭日月光投控自然不會錯過這個機會;但是,他們的盤算完全不同。

「矽品之前就為蘋果專門設了一條晶圓級封裝產線,但幾乎從沒填滿過。」業界人士透露,封裝廠早看到先進封裝的潛力,封測廠內部已從勞力密集的生產線,變成穿著無塵衣,遍布自動化設備的高科技廠房。

「晶圓級封裝,60、70顆晶片要價100美元,傳統打線製程只要幾美分,相差好幾10倍。」業界人士觀察。做3D IC封裝,傳統封測業的弱點是,如果台積電做先進封裝失敗,只要再生產一片晶圓給客戶即可,但封測廠卻要用市價賠償,一片要價上萬美元。

▲日月光投控的第18座智慧工廠,是首座結合5G、大數據技術的智慧工廠。(圖/資料室)

在這場競賽中,封測廠的優勢是,擁有各種封測技術可以運用,每一項都不容易。像2.5D的晶圓級封裝材料標準,還是日月光投控最先提出的,從最便宜的打線封裝,到最昂貴的晶圓級封裝,封測廠都有產能可以提供。因此,封裝廠積極發展系統級封裝(SiP),這種技術可以整合各家的IC,做成一顆晶圓大小的模組,提供原本一整片PCB(印刷電路板)才能做到的功能,與鴻海等系統組裝廠搶市場。

傳統封測廠靠資源整合勝出

或是發展更先進的封裝技術,把先進封裝做到更便宜。例如,力成新廠的新技術,是能用一整片面板大小的基板,一次封裝3片12吋晶圓,成本比一次只封裝一片的晶圓廠更有競爭力。對天線、Wi-Fi、電源管理等應用,傳統封測廠握有優勢。

「日月光會重演當年﹃銅線戰爭﹄的成功模式。」業界人士觀察日月光的布局,過去電子產品打線是以黃金作主要材料,黃金質地軟,容易加工,但當時日月光早已悄悄布局銅打線製程,「有一年,金價大漲,接一樣的訂單,日月光獲利是對手的數倍,這一役讓日月光站上封裝龍頭」。

看好商機,中國江蘇長電也大力投資先進封裝技術;此外,鴻海也藉由投資訊芯,跨入系統級封裝市場反攻。面對對手進逼,日月光投控早在11年前就布局自動工廠,整座廠房看上去就與晶圓廠相似,產線上只能看到少數穿無塵衣的工作人員。吳田玉曾表示:「自動化工廠完成的那天,我整整大笑了一個星期。」日月光投控已準備用自動化面對對手的低價競爭。

即使是傳統的封裝廠,也會跟著這一波潮流成長。像生產傳統導線架的長科,2020年就在高雄投資興建新的導線架蝕刻生產線。長科董事長黃嘉能分析,傳統的導線架也在進步,過去舊的導線架技術只能做出1排接腳,現在的新技術卻能做出2排甚至多排,可以做出200、300個接點,開始侵蝕原本較為高階的BGA封裝市場。國際網通大廠中高階晶片現在改用導線架,也能做出面積比過去更小、更省成本的新產品,黃嘉能現在的目標,就是做到全球導線架第一大廠。

新需求全面引爆投資機會藏不住

「5G絕對是推力之一。」黃嘉能說,5G現在只是剛剛開始,但5G帶動萬物聯網的需求,會讓晶片需求增加,市場變大,占整個市場一大半比率的中低階晶片需求自然大增。超豐等傳統封裝廠的業績持續成長,也證明這個現象。

接下來幾年,AI、5G、物聯網和電動車,會激發更多的需求。在先進封裝成為顯學之後,晶圓廠會侵蝕部分封測廠的生意;但與此同時,封測廠也會用更低的成本和更高效的產品,拿走部分系統組裝廠的生意。

未來幾年,封測產業將是一場晶圓廠、封測廠和系統廠的跨界大亂鬥,各種新材料、新設備需求將出現,台灣廠商也有機會搶先卡位。這是台灣在半導體下一個10年不能錯過的大趨勢,也蘊藏許多投資機會。

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