后摩爾定律時(shí)代 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈走勢分析

　　摩爾定律作為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的金科玉律，一直屹立于科技發(fā)展的前沿，給整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈指明了非常明晰的發(fā)展方向，可謂厚澤萬物。但近些年，由于IC制造過程中使用的光刻技術(shù)(Photolithography)相對于摩爾定律顯得相對滯后，IC業(yè)界給予厚望的EUV(Extreme UltraViolet)光刻設(shè)備也在緊鑼密鼓的研發(fā)中，技術(shù)成熟度尚達(dá)不到量產(chǎn)的水平，使得IC制造成本在晶圓節(jié)點(diǎn)(Wafer Node)不斷縮小的情況下，成本呈現(xiàn)指數(shù)增長;另一方面，2017年，蘋果A11/A10X、高通驍龍835、三星Exynos 8895、華為Kirin970和聯(lián)發(fā)科Helio X30蓄勢待發(fā)，晶圓節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)展到10nm量產(chǎn)的階段，已經(jīng)非常接近FinFET制程的物理極限5nm，因此即便EUV光刻設(shè)備可以量產(chǎn)使用，也無法改變摩爾定律即將死亡的趨勢。那接下來電子制造行業(yè)該何去何從?業(yè)界和學(xué)界也給出了比摩爾定律更為多元化的答案：more moore(深度摩爾，IC制造角度的摩爾定律)和more than moore(超越摩爾，IC封裝角度的摩爾定律)，見圖1：

　　圖 1 后摩爾定律時(shí)代Roadmap

　　何謂深度摩爾(more moore，IC制造角度的摩爾定律)，是延續(xù)CMOS(FinFET)的整體思路，在器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、連接導(dǎo)線、高介質(zhì)金屬柵、架構(gòu)系統(tǒng)、制造工藝等等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，沿著摩爾定律一路scaling(每兩到三年左右，晶體管的數(shù)目翻倍)，見圖2 Logic IC的roadmap：

　　圖 2 Wafer Node Roadmap

　　目前深度摩爾一般適用于數(shù)字電路，如智能手機(jī)中的處理器(AP)和基帶芯片(Base Band)，均屬于SoC的范疇。前面我們也提到，由于FinFET的物理極限是5nm，那么發(fā)展到5nm后如何繼續(xù)呢?那就必須打破FinFET的結(jié)構(gòu)和材料限制，開發(fā)和研究新的Transistor(switch)形式，如Tunneling FET(TFET)、Quantum Cellular Automata (QCA) 、SpinFET等，也即圖1中所謂的Beyond CMOS。

　　何謂超越摩爾(more than moore，IC封裝角度的摩爾定律)，主要側(cè)重于功能的多樣化，是由應(yīng)用需求驅(qū)動的。之前集成電路產(chǎn)業(yè)一直延續(xù)摩爾定律而飛速發(fā)展，滿足了同時(shí)期人們對計(jì)算、存儲的渴望與需求。但芯片系統(tǒng)性能的提升不再靠單純的暴力晶體管scaling，而是更多地依靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化，同時(shí)集成度的提高不一定要靠暴力地把更多模塊放到同一塊芯片上，而是可以靠封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)集成。模擬/射頻/混合信號模塊等不需要最先進(jìn)工藝的模塊可以用較成熟且廉價(jià)的工藝實(shí)現(xiàn)(比如為模擬射頻工程師所喜聞樂見的65nm)，而數(shù)字模塊則可以由先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)，不同模塊可以用封裝技術(shù)集成在同一封裝中，而模塊間的通訊則使用高速接口。這種集成方式即異質(zhì)集成(heterogeneous integration)，是目前在工業(yè)界和學(xué)界都非?；鸬腟iP，不但可以減低成本，而且可以更加集成化，見圖3(b)。智能手機(jī)中的射頻前端模塊、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊和NFC模塊等模擬電路均適用于超越摩爾的情景。

　　回頭再看摩爾定律的兩個(gè)方向，無非就是SoC和SiP的差異，一個(gè)是IC設(shè)計(jì)角度,一個(gè)是IC封裝角度，見圖3，也可是數(shù)字電路與模擬電路的差異。這樣，再去理解SoC和SiP何其簡單。

　　圖 3 SoC與SiP

　　那我們再把視線從理論預(yù)測轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，作為消費(fèi)電子時(shí)代的弄潮兒蘋果公司自然是大家討論技術(shù)走向的焦點(diǎn)。隨著蘋果公司發(fā)布iPhone 10周年的臨近，紀(jì)念版iPhone的消息更是紛至沓來，讓人目不暇接，其最新技術(shù)走向更是值得大家分析揣測。

　　首先就是2016年9月iPhone 7的A10 Fusion首次采用TSMC 16nm 的InFoWLP封裝技術(shù)，完全取代了以往的FCCSP的封裝技術(shù)，而今年9月即將發(fā)布的紀(jì)念版iPhone A11將采用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術(shù)，而與之對應(yīng)的主板則會革命性地將載板的精細(xì)線路制造技術(shù)MSAP導(dǎo)入PCB行業(yè)，重新定義了電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，由于原來的IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板→SMT(Foxconn)+PCB的制造流程改為IC制造(TSMC)→ SMT(Foxconn)+PCB，也即把IC封裝融入IC制造，PCB直接代替IC載板。那我們不難發(fā)現(xiàn)，這種是基于深度摩爾由于AP 升級(16nm至10nm)而帶來的革命性改變。

　　其次是蘋果Apple Watch的發(fā)布，其最具特色的就是S1芯片(見圖4)的封裝技術(shù)，即SiP封裝技術(shù)(System in Package)，不但把AP應(yīng)用處理器(已經(jīng)集成了SRAM內(nèi)存)、NAND閃存、各種傳感器、特殊用途芯片、IO及功耗管理IC封裝到了一起，而且還把其他被動原件均集成在一塊載板上，在這里其主板客串了兩個(gè)角色：IC載板和PCB主板，其整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈也由傳統(tǒng)的IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板→SMT(Foxconn)+PCB縮短為IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，并采用IC載板代替PCB主板。從此我們也不難看出，這種就是基于超越摩爾由于封裝技術(shù)的革新而帶來的革命性整合。

　　圖 4 Apple Watch S1

　　從以上蘋果公司最新的技術(shù)應(yīng)用分析，我們可以看出，蘋果、臺積電、日月光和富士康四親兄弟分別代表著IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封裝和SMT四個(gè)領(lǐng)域正忠實(shí)地沿著深度摩爾和超越摩爾的路線前行，引領(lǐng)者整個(gè)電子制造行業(yè)的發(fā)展與變革，同時(shí)也潛移默化地影響著PCB制造者和IC載板制造者。作為PCB制造的從業(yè)者，更需要擦亮眼睛，做到envision it，enable it，只有這樣才能永葆。下面我將從IC封裝和IC載板技術(shù)方面談起，更詳細(xì)地介紹Fan-Out WLP、SLP和SiP，為PCB產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展和遠(yuǎn)景規(guī)劃提供建議。

　　IC封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(含IC載板、Fan-Out WLP、SLP和SiP)

　　電子制造產(chǎn)業(yè)鏈包含前端的高端電子產(chǎn)業(yè)鏈(IC設(shè)計(jì)、IC制造和IC封裝)和后端的SMT貼件及組裝，所以IC封裝技術(shù)屬于高端電子制造領(lǐng)域極其重要的一環(huán)，其技術(shù)發(fā)展趨勢同樣受摩爾定律的影響，當(dāng)然現(xiàn)階段同樣受困于摩爾定律的局限性影響。隨著高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠹盁o線技術(shù)的飛速發(fā)展，沿著深度摩爾的方向，芯片尺寸不斷縮小，I/O數(shù)不斷增加，傳統(tǒng)的IC封裝正逐漸由Lead frame、Wire Bonding轉(zhuǎn)向Flip Chip，見圖5，從而避免互聯(lián)通道過長對數(shù)據(jù)傳輸通道造成的信號損失;當(dāng)IC制造受到諸多限制因素，摩爾定律逐漸趨緩時(shí)，人們不得不開辟超越摩爾的發(fā)展道路，從最初的單個(gè)IC對應(yīng)單個(gè)載板的封裝走向多個(gè)IC對應(yīng)單個(gè)載板的SiP封裝(2D、2.5D、3D封裝)。

　　圖 5 封裝技術(shù)發(fā)展Timeline

　　為了更詳細(xì)的了解IC封裝技術(shù)及其所包含的IC載板技術(shù)，我們需要將視角由摩爾定律轉(zhuǎn)向IC實(shí)際應(yīng)用?？v觀ICT時(shí)代，電子制造技術(shù)的主要驅(qū)動來源于兩個(gè)方面：第一，以智能手機(jī)為核心的消費(fèi)電子，第二，以大數(shù)據(jù)云計(jì)算為核心的高性能計(jì)算機(jī)，不同的應(yīng)用對應(yīng)不同的IC封裝和IC載板，見圖6：

　　圖 6 IC封裝應(yīng)用及演變趨勢

　　從圖中我們也可看出，主流IC封裝主要包括3個(gè)大類：傳統(tǒng)BGA/CSP封裝、WLP封裝和SiP，所以我將從以下三大類封裝闡述IC載板、SLP、FoWLP及SiP的差異。