来自 时代科技 2019-10-05 04:33 的文章
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带你看世界半导体发展趋势,先进封装成焦点

“人工智能和大数据技术的不断演变,影响着我们的生活、工作的方方面面,这对半导体行业来说是一个发展的黄金时期,也是一个巨大的机会点。”应用材料公司总裁兼CEO Gary Dickerson指出,“人工智能和大数据正在驱动硬件的开发与投资的复兴,很多行业参与者都投注在不同的技术上。”

人工智能、5G等技术趋势正在推动中国半导体产业发展。相关机构预测,人工智能在中国娱乐和教育领域应用越来越多,这将有助于在中国地区重塑这些行业。此外,中国顶级智能手机制造商预计未来一年将推出基于5G的手机,以实现技术升级。与之相呼应的是,全球领先的移动运营商也在着力加强对新一代无线基础设施开发和测试的力度。

5月17日,世界半导体大会在南京召开,台积电在大会设立专场,和众多企业厂商分享台积电的成功之道。台积电作为世界上最大的晶圆制造厂商,占有全世界超过一半的晶圆制造市场,一直以来都是半导体行业的风向标。

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先进技术对半导体工艺需求越来越高,然而随着摩尔定律演进,受器件的物理极限趋近、芯片研发制造成本高昂等因素影响,行业迫切需求另寻途径延续发展,先进封装技术随之逐渐成为焦点。

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过去几十年来,半导体行业的发展迅速演进,计算处理的格局正在发生意义深远的变化。“人工智能和大数据将成为最大的计算处理浪潮且将不断增长,会比个人电脑和智能手机更普遍、更重要,数据之于本世纪的重要性,如同石油之于上一世纪。”Gary Dickerson表示,“由于物联网和智能设备的爆炸式增长,数据的生成也呈指数级增长,未来还将伴随着5G和工业4.0继续增长。2018年机器生成的数据量首次超过了人所产生的数据,2025年更将十倍于人所产生的数据。所有的数据都需要以高成本效益来生成、处理和存储,这为半导体行业带来了巨大的机遇和同样巨大的技术挑战。”

半导体材料供应商Brewer Science指出,在前端部分,中国在技术节点的布局在稳步推进,同时也在谋求推进其在创新驱动领域的领导地位。与此同时,中国正受益于在光刻工艺中采用传统材料,例如底部抗反射涂层 和老式的多层系统。

近年来半导体行业不断发展,摩尔定律受到挑战,未来的半导体行业发展方向如何,会不会继续遵守摩尔定律,也成为备受关注的话题。对于未来半导体发展方向,台积电指出出三大趋势:

Gary Dickerson指出,数据需求从未如此惊人,这使得数据生成、处理和存储的基石——半导体技术也迎来了前所未有的挑战。他说,数据的巨量增长为更高效的数据处理方式带来需求,此前的x86架构是传统的串行计算方式,然而进入人工智能时代,其计算处理是一种特殊的工作负载,需要组织大量内存以快速存取,且是高吞吐量的并行计算,与传统计算模式差异巨大。另一方面,基于摩尔定律的传统2D缩微特征正在放缓,新逻辑节点更新的时间间隔从每两年延长至超过四年。

在后端封装领域,中国的外包半导体封装测试服务提供商 已开始提供扇出型晶圆级封装 技术,并使该技术成为其先进封装工艺的一部分,这一趋势继续呈现增长态势,预计更多中国封测企业将会在不久的将来开始使用此工艺。

1.逻辑器件微缩继续延申

“因此,未来芯片技术的演进将通过五个方面来实现,分别是:新结构、新3D技术、新型材料、新缩微方式、先进封装技术。”Gary Dickerson表示,“应用材料将这五大创新方向称之为半导体设计和制造的新剧本,而所有这些领域的基石则是材料工程。”

Brewer Science的主营业务主要包括先进光刻、晶圆级封装与薄膜软性混合电子类新兴市场三大块。在先进光刻部分,Brewer Science亚洲运营总监汪士伟表示,光刻工艺最重要的包括光刻机、光源和光刻胶三个部分。Brewer Science最开始从光刻胶中的抗反射涂层(Anti-Reflective Coatings,ARC)做起,后来历经多层系统(Multi-layer Systems)、极紫外光刻与嵌段共聚物定向自组装材料,一直致力于通过技术创新不断推动产业发展。

由近几年的发展可以看出这种延申趋势,去年7nm晶圆进入量产,5nm进入市场阶段 ,明年将会大规模量产。目前,台积电3nm技术已经开始研发,技术正在进一步延申。在半导体行业,器件本身是没有瓶颈的, 主要问题在于生产工艺,2000年左右台积电引入了微缩光刻技术,最近初几年进展缓慢,在7nm到5nm的时候遇到瓶颈,EUV技术的出现克服了这个难题。台积电副总经理陈平指出,从2000到现在,产品在不断的微缩,不断遇到困难,同时也在不断发现新的材料,不断产生新的技术。材料、器件、光刻三大技术难点不断突破。

他举例说,过去很长一段时间内,通过2D缩微就可以实现晶体管的更新换代,但当进入3D NAND的时代,芯片是三维结构,像盖摩天大楼一样,这很大程度上要得益于材料的先进性和创新性。“做个夸张的比喻,只要材料做得上,摩天大楼就盖得好,我们就可以天高任鸟飞。”

如今,半导体工艺中至关重要的光刻工艺进化出了多个技术方向,包括EUV、多波束电子光刻、纳米压印光刻和DSA等。其中EUV显然已经成为行业公认的下一代光刻工艺,但是汪士伟指出,尽管EUV与DSA两项技术之间有时看起来存在相互竞争的关系,但这二者并非二选一的选择题。虽然EUV将要开始实现量产,但是成本 ( Cost of Ownership) 高昂,应用DSA的成本则相对较低。Brewer Science在两个技术方向上都投入了研发,并且取得了优异的成果。如果客户因为成本及其他因素,而无法或者大量使用EUV制程的時候,还有DSA可以选择。

2.先进工艺、特殊工艺全面推进

先进封装技术是摩尔定律演进受限时行业关注的另一个重要方向。对此Gary Dickerson表示,封装技术确实是半导体行业是否能够在未来继续前进的一个重要因素。消费者对GPU、内存、CPU需求越来越高,需要更低的功耗、更低的延迟、更低的成本,这一切都需要通过更好、更创新的封装技术才能实现。“一个好的封装技术,通过整合其他不同的、相关的技术,甚至可以在同样成本上降低50%功耗的同时,运行速度提高3倍,延迟也可以进一步得到降低。”他强调,因此,封装领域机会是巨大的,其中材料技术是关键,也是一切发展的核心所在。这些都是应用材料公司投入大量精力的发展方向,力图在封装技术上不断创新。

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在人工智能、大数据技术的带动之下,对芯片的算力要求越来越高,而数据必须要经过传送才能成为大数据、对人工智能产生作用,台积电很多特殊工艺的需求为这些新的需求提供了新的动力。在这些新兴技术的带动之下,对于特殊芯片的需求也越来越高,未来半导体行业特殊工艺芯片将处于增长状态。

展望今年的半导体市场,很多市场分析机构认为“不景气”会是2019年半导体行业的主旋律。Gary Dickerson认为一方面是因为过去十年半导体产业的主要驱动力——智能手机市场增速放缓,另一方面是供过于求的存储芯片的价格下滑给市场带来了预警,大家也对产业的未来发展表现出担忧。他强调,短期内虽然有波动,但长期来看半导体行业前景仍然是光明的,行业已经进入到一个发展的全新时期。如今智能手机很大程度上拉动了半导体行业超过50%的销量,这是一个不争的事实,从过去的PC时代进入到现在的移动时代,整个半导体行业已经变得更成熟、更稳定。进入到下一个以人工智能和大数据潮流为主的发展时期,行业应该建立起一个更加完善的生态系统。

在先进封装业务方面,如上文所说,先进封装在半导体工艺演进越发困难成为了现在关注的焦点,晶圆级封装技术就是其中之一。Brewer Science晶圆级封装材料事业部商务拓展副总监Dongshun Bai表示,公司在晶圆级封装领域能够提供临时键合/解键合材料、重分布层增层材料、晶圆级蚀刻保护和平坦化材料等。他指出,封装技术从2D走向3D,功能、速度、带宽、I/O数量需求都在不断提高。在先进封装材料需求方面,每一个客户的需求都是独特的,因此每一个应用都需要其特定的材料特性,不断增长和多样化的系统要求继续推动各种新封装形式和结构的发展,包括更小的外形尺寸,更轻、更薄、引脚更多、高速工艺、高可靠性、改进的热管理性能、更低的成本等,在晶圆级封装技术中,由于更薄的晶圆能带来更好的性能表现、更好的散热性能、外形尺寸缩微、功耗降低等特点,所以越来越受业界青睐。而这些要求也对半导体材料供应商提出了新挑战,比如耐高温、易分离不残留、更宽的温度范围、耐化学性等。

3.多种工艺异构集成

从应用材料公司的角度来看,没有任何一个国家或者企业能够在一个孤岛的环境下生存。Gary Dickerson强调,只有通过各个企业以及所有国家之间的合作,才能真正实现合力共赢,应用材料公司作为业界当之无愧的领袖,必须要推动这一进程、加速与行业生态系统的合作。

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在半导体设计领域,有各种各样的工艺,不可能用一种工艺完成所有的需求,近年来出现一种异构趋势,将不同工艺的芯片集中。由于芯片的要求提高,将不同的晶片整合到同一块器件上可以大幅度提升性能,这种集成工艺让芯片速度更快,功耗更低,性能更强,据陈平介绍目前大部分人工智能芯片都采用集成封装。

至于中国市场,他重申,应用材料公司去年在华的总营收达到了50亿美元,未来也将会与中国的行业生态系统及合作伙伴继续深耕。在人工智能和大数据的驱动以及运用上,应用材料公司希望能够从系统层面一直深入到材料层面,实现全维度的合作。“只有勇于合作的公司,才能够在未来抓住市场的增长机会。机会和挑战是永远并存的,但是合作大于一切,我们一定能够通过合作更好地攻克这些挑战。”Gary Dickerson再次强调。

在软性混合电子类新兴市场业务方面,随着柔性电子设备的需求崛起,Brewer Science也将基于公司的材料学专长,根据客户需求调整产品。

近年来,台积电在产能上和研发上是持续的,研发投入每年一百亿,同时和EDA公司、设计IP公司、设计服务公司、代码公司等全方面合作,已经成为全世界最完备的半导体生态系统。

根据SEMI最新的数据,2018年全球半导体材料总产值达519亿美元,改写历史新高纪录,增长率达10.6%,其中大陆市场84.4亿美元,成长11%,成为全球第3大市场。对此Brewer Science表示,2000年以来公司一直以完善的技术开发支持中国市场的增长,随着中国市场和Brewer Science在半导体行业的发展,将通过扩大的材料技术组合,推动双方的共同成长。

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