OSAT視角：汽車半導體市場及其制造所面臨的挑戰(zhàn)

汽車半導體市場在過去十年間保持連續(xù)增長，絲毫沒有放緩的跡象。

汽車行業(yè)的發(fā)展主要源于管控汽車的幾乎各個方面都采用了電子器件，而安全標準的提升以及從半自動到全自動電動汽車的發(fā)展，也使汽車行業(yè)的增長更加穩(wěn)固。圖1顯示，盡管2016年至2022年的汽車產量預計將增長13%，但汽車電子器件預計同期將從1990億美元增長至2890億美元，增幅達45%。圖1同時還顯示，每輛車的電子器件價格以“曲棍球棒曲線”形式增長——從2016年的每輛車2000多美元增長到2022年的每輛車2700美元。

圖1：2016-2022年的汽車電子器件市場。來源：Prismark，2018年10月

圖2顯示了汽車駕駛自動化各等級中的雷達、攝像頭（CMOS圖像傳感器[CIS]）和激光探測及測距系統(tǒng)（激光雷達）傳感器模塊的預計增長數量。目前大多數高端汽車都屬于2級自動駕駛，而5級則是完全自動駕駛。如圖所示，各種傳感器的數量將在達到4級和5級自動駕駛時明顯增長^[1]。

圖2：汽車駕駛自動化各等級中的雷達、攝像頭和激光雷達模塊數量。來源：? Infineon Technologies AG.

以上提到的所有電子器件增長領域都在使用各種半導體產品。表1顯示了2013年至2018年半導體終端應用收入的增長，以及2019年至2023年的增長預測。在過去五年（2013年-2018年），汽車市場的年均復合增長率（CAGR）為7.3%，而在接下來的五年，即2019年至2023年，預計還將增長6.3%，使之成為增長率最高的半導體細分市場。

表1：2013-2022財年不同終端應用領域的半導體產品收入。來源：Prismark

汽車供應鏈和市場主要參與者

表2總結了汽車半導體供應鏈以及各條供應鏈行業(yè)中的主要參與者。

表2：汽車半導體供應鏈和主要參與者。

與大多數其他市場和行業(yè)不同，半導體集成設備制造商（IDM）通常不直接向汽車原始設備制造商（OEM）提供其產品。

相反，他們將自己的產品供應給另一組被稱為“一級”供應商的公司，如歐洲的博世（Bosch）和大陸（Continental），日本的電裝（Denso）和愛信（Aisin）或韓國的摩比斯（Mobis），這些一級供應商為汽車OEM生產各種電子和傳感器模塊與器件。例如，一級供應商生產制動和變速器模塊、油壓或液位傳感器模塊以及安全氣囊傳感器模塊。半導體器件是由一級供應商制造的這些模塊中必不可少的部分。大多數頂尖的半導體集成器件制造商（IDM），如NXP、瑞薩（Renesas）或亞德諾（Analog Devices），都擁有自己的晶圓廠、封裝和測試設施。然而，外包生產已成為大勢所趨，其中以封裝外包為主。IDM通常不會將晶圓加工、晶圓針測和測試操作進行外包，以便更好地控制這些制造流程。

這主要是考慮到汽車應用領域的嚴格質量要求?；蛟S出于同樣的原因，只有少數外包半導體和測試供應商（OSATS）參與到汽車電子器件封裝和測試市場。提供汽車電子器件封裝和測試服務的前三大OSATS分別是Amkor、ASE和UTAC，市場聯合占有率高達95% ^[2]。正如后文所述，汽車電子器件封裝領域的挑戰(zhàn)不言而喻，進入行業(yè)的門檻相對較高——擁有經過專業(yè)培訓的制造人員應在工作中秉持“持續(xù)改進，實現零缺陷”的理念。此外，該行業(yè)可能最長需要四年時間，消耗大量有價值的資源并經歷千辛萬苦才能獲得回報，實現盈利。必須指出的是，一些無晶圓廠設計公司（例如高通）也向一級汽車供應商提供半導體元件。

當然，他們是將所有生產任務外包給晶圓代工公司和OSATS。

圖3：基于對MCU、電源和模擬產品技術要求的汽車封裝技術路線圖^[3]。

汽車應用領域的封裝技術

在封裝類型方面，除了傳統(tǒng)的導線架基底解決方案外，汽車一級供應商和OEM目前都在使用先進的封裝解決方案。技術要求、封裝尺寸和降低成本是推動這種趨勢的主要因素。例如，8位汽車用微控制器通常采用薄窄間距小外形封裝（TSSOP）和方形扁平式封裝（QFP），并且大部分已經轉變?yōu)榫哂懈⊥庑我蛩睾透统杀镜姆叫伪馄綗o引腳封裝（QFN）。然而，在16位和32位微控制器中，由于較高的輸入/輸出（I/O）密度則采用倒裝芯片球柵格陣列（FCBGA）封裝解決方案。圖3顯示了基于工作溫度和電流/功率需求的汽車微控制器單元（MCU）、模擬和電源產品的高級路線圖^[3]。

該路線圖顯示，到2025年將大量使用導線架基底封裝。然而，在大功率、高電流或高溫應用領域，使用了暴露焊盤、銅夾互連技術和銀燒結工藝等先進的導線架封裝解決方案。圖4顯示了多家一級供應商的模塊，可以看出它們均使用了大量導線架基底封裝。在導線架家族中，對于尺寸和成本降低的需求使得QFN在汽車上的使用數量顯著增加。但是汽車工業(yè)需要一種具有可側焊側翼的特殊QFN型式。汽車零部件制造商需要的是無法由標準QFN完成的可檢測焊點。圖5顯示了可側焊QFN的細節(jié)。UTAC和Amkor Technology都擁有可側焊QFN解決方案的專利。

圖4：顯示大量使用導線架基底封裝的多種汽車應用模塊示例。來源：*TechSearch International； **NVIDIA

圖5：汽車工業(yè)需要允許對板級焊點進行檢查的可側焊QFN。

汽車廠商傳統(tǒng)上習慣堅持使用經過可靠性驗證的標準導線架。由于半導體在汽車上的廣泛應用，先進封裝解決方案的使用也在增加。圖6顯示了汽車封裝產品的總體路線圖。雖然未來幾年內仍將繼續(xù)使用標準封裝，但高級封裝正在逐漸推廣，并且越來越多地出現在汽車封裝產品路線圖中。正在使用高級封裝解決方案的產品包括雷達（晶片級芯片規(guī)模封裝[WLCSP]和系統(tǒng)級封裝[SiP]）、高性能CPU（高接腳數FCBGA和SiP）以及多功能模塊（SIP和嵌入式解決方案）。

圖6：高級別汽車封裝路線圖顯示先進封裝技術的使用日益增加。

傳感器在汽車上的使用數量已大幅增加——據估計，現今一輛標準汽車上有50多個傳感器。雖然加速計和陀螺儀等微機電系統(tǒng)（MEMS）更多采用標準層壓級或陶瓷級封裝，但許多其他傳感器，如油壓和油位傳感器則需要獨特的封裝解決方案。

攝像頭在汽車應用領域的普及，推動了陶瓷級或獨特的層壓級CIS解決方案以及晶圓級封裝（信息娛樂系統(tǒng)）的廣泛使用。

激光雷達（LIDAR）被認為是全自動汽車的關鍵。許多IDM和設計公司都在研究固態(tài)激光雷達技術，

汽車企業(yè)可能需要15至20年的供應保障，并對所有與生產相關的數據提出相同的保留期限。由于產品變更通知（PCN）的審批過程需要長達30個月時間，因此通常情況下不允許做出變更。那么對于“零缺陷”的目標而言，需要OSAT的各級組織機構都具有某些更高的質量標準和持續(xù)改進的心態(tài)。

OSAT在汽車電子器件封裝和測試方面的挑戰(zhàn)可以分為五個單獨領域：a) 資質與可靠性、b) 核準至量產、c) 大規(guī)模量產/操作、d) 物流與資源，以及 e) 成本管理。

這需要一個利用現今技術和材料的全定制封裝解決方案。

汽車封裝要求也推動了高性能材料的發(fā)展，例如用于引擎蓋下較高工作溫度和大功率應用產品的模具復合材料和裸片粘接材料。如圖3所示，銅夾在電源產品中越來越多地用作高功率和大電流應用產品的互連技術。為降低成本，銅導線已廣泛用于標準的汽車封裝。圖7顯示了UTAC在汽車應用領域的銅導線用量增長情況。我們從2015年開始裝運銅導線，并從那時起已經裝運了超過1630億件采用銅導線的QFN產品，沒有出現任何質量問題。

圖7：UTAC用于汽車應用領域的銅導線互連技術封裝類型歷史裝運量。