在全球半導體產業的迭代升級過程中,有一樣東西看似“名不見經傳”,卻不可或缺,甚至可以說是決定芯片性能能否最高效發揮的關鍵步驟——粘合劑技術。
事實上無論是小到晶體管,大到變壓器、微電子器件,還是各種雷達、導航、通訊、家用電器、手持設備、儀器儀表、大型計算機等,涵蓋半導體子集在內的整個電子電器行業,乃至消費品等其他領域,都離不開各種粘接和密封材料的應用。
而在持續升溫的新能源汽車市場,疊加去年開始狂飆的人工智能賽道,粘合劑技術也順勢走向新一輪攀升的風口。作為該行業翹楚之一,漢高粘合劑儼然蓄勢“正”發。
漢高參展SEMICON China 2023
車規級市場,蓄力已久
“談到汽車半導體行業,包括整個半導體行業,我們漢高認為要看這個行業的未來,最基本的就是看硅的晶圓面積,因為這個將會決定我們有多少的封裝材料會用到上面。”在剛過去不久的半導體和電子行業年度盛會SEMICON China 2023上,漢高粘合劑電子事業部半導體全球市場總監Ram Trichur在接受蓋世汽車記者采訪時談到。
他進一步指出,“如果我們看,從2022年到2025年,全球整體硅晶圓面積的逐年增長率,所有的需求大概是1.7個百分點,但是如果進一步深挖到汽車半導體,逐年增長率就很漂亮,10%,有兩位數。”
漢高粘合劑電子事業部半導體全球市場總監Ram Trichur
接近6倍的硅晶圓面積年增長率差距,又是在全球半導體行業進入周期性下行且尚處于底部的當下,足以說明汽車半導體市場的火熱,以及未來可想象的巨大市場空間。
事實上,在全球半導體增速放緩的現階段內,汽車一直被業內認為是拉動整個行業增長的最大終端。業內人士認為,完成電動化的汽車堪比放大版的移動計算機,汽車智能駕駛功能的實現對整個半導體行業的拉動將是指數級的,因為智能駕駛所需要的半導體量非常大。
根據世界半導體貿易統計協會(WSTS)統計,汽車應用領域在過去一年中經歷了最快速的增長期,占全球半導體銷售的14.1%,而亞太地區有望成為汽車芯片增長最快的市場。
中國汽車工業協會數據也顯示,一輛傳統燃油車所需汽車芯片數量為600-700顆,電動車所需的汽車芯片數量將提升至1600顆/輛,而更高級的智能汽車對芯片的需求量將有望提升至3000顆/輛。
作為汽車控制系統的核心部件,汽車芯片的重要性無可置辯。汽車電動化與智能化的演進,使得汽車的控制要求越來越復雜,而這不僅推動芯片的使用量成倍增加,也對汽車芯片的性能提出更高要求。
芯片封裝工藝流程與設計優化,是提高芯片性能和可靠性的關鍵一環。Ram Trichur指出,汽車半導體的封裝,超過90%都是用傳統的引線鍵合封裝,而引線鍵合封裝的完成就必須要用到芯片粘接膠。
作為半導體封裝材料全球最大的供應商之一,漢高一直以來都在密切關注汽車市場的需求與變化,其在現場還基于公司業務總結了當前四大汽車整體應用場景:
第一是汽車所用的電力半導體,如FET(場效應管),即半導體開關,在新能源汽車上應用廣泛;第二是ADAS(高級輔助駕駛系統),其中涉及的攝像頭、雷達和激光雷達等產品都有配套的封裝材料需求;第三是車聯網,涉及到無線通訊、互聯相關半導體產品;第四是汽車的終極目標自動駕駛,這對中央算力芯片的性能與可靠性都提出了更高要求,并涉及一些先進封裝的解決方案。
并且,伴隨新能源汽車飛速向前發展,該行業的應用場景也產生了其他一些新的訴求。
Ram Trichur認為主要有三個方面,一是對芯片粘接膠水、芯片粘接膠膜產生了更高導熱需求;二是針對龐大的產品組合,客戶需要對里面產品進行最苛刻的車規級認證;三是汽車行業在封裝層面也面臨些新趨勢和挑戰。特別是國內越來越多的客戶使用銅框架,即引線鍵合封裝采用的金屬框架。銅框架可以提供更高的可靠性,且跟傳統的鍍銀框架或者鍍鎳鈀金框架相比,在成本上更具競爭力。
漢高展示車規級解決方案
通過采訪了解,在對這些應用場景的“攻”與“守”中,漢高皆已摩厲以須。漢高推出了包括高導熱芯片粘接、芯片粘接膜等在內的車規級解決方案,并基于多年的量產經驗,幫助客戶滿足全線覆蓋各個級別的車規可靠性要求。
具體來看產品,在芯片粘接膠和芯片粘接膜領域,漢高最新推出的樂泰Ablestik ATB 125GR適用于引線鍵合的基板和框架類封裝,對小到中等尺寸的芯片均可兼容,而且材料自身具有極佳的作業性。
樂泰Ablestik ABP 6395T材料則具備高達30 W/m-K的導熱率,且不需要燒結,即可實現設計的靈活性和車規級可靠性;樂泰Ablestik ABP 6389材料不僅具備10W/m-K的導熱率,還可滲透到多種應用中,幫助客戶實現單一BOM;此外,漢高還開發了一個兼顧成本和效益的版本,近期獲得了首批客戶訂單,即將實現商業化。
特別針對汽車電氣化的挑戰,漢高將燒結作為滿足功率半導體嚴苛粘接、導熱和電氣要求的首選解決方案。6月,漢高已將新品樂泰Ablestik ABP 8068TI添加到高導熱芯片粘接膠產品組合中。該產品導熱系數為165 W/m-K,導熱能力在漢高半導體封裝產品組合中最高,可滿足高可靠性的汽車和工業功率半導體器件的性能要求。
先進封裝方案,行業翹楚
現階段,如果要找出一個火熱程度能與新能源汽車相媲美的,甚至未來不排除有超越可能的賽道,莫過于去年下半年風靡全球的以ChatGPT為代表的生成式AI。由此所帶來的算力需求的大幅攀升同樣給半導體領域帶來了更多挑戰,尤其是如何進行算力芯片組的封裝和迭代升級。
伴隨摩爾定律不斷逼近物理極限,如何獲得更高性能、體積微型化并兼具成本效益的芯片成為考量——采用以晶圓級封裝(WLP) 、系統級封裝(SiP) 、硅通孔(TSV)、2.5D/3D封裝、嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)等為代表的先進封裝技術,慢慢成為行業主流。
然而在封裝過程中,芯片和封裝基板粘結在一起,或是多個芯片疊加非常容易產生產品過熱等問題,這一度曾令行業龍頭頭疼至極,甚至不得不放棄一些產品封裝方案。不過隨著時間推移、技術升級,這些問題正逐步被解決。
目前,漢高的先進封裝解決方案能夠幫助客戶解決在倒裝芯片和堆疊封裝設計、扇入扇出晶圓級封裝(WLP)以及2.5D/3D集成架構中所面臨的挑戰,可確保長期可靠性、出色性能、高UPH和優秀作業性。
而對于更上游的先進封裝材料方面,漢高也提出了三大類解決方案:第一類,底部填充膠(Underfrill),即底填;第二類是晶圓包封材料;第三類是蓋板粘接和加強圈粘接。在這些方面,漢高幾乎遙遙領先。
Ram Trichur進一步介紹,漢高提供的底填解決方案目前能匹配行業最先進的芯片制程工藝,比如5納米、3納米;底填膠比行業友商快30%以上,能夠幫助客戶提升生產效率、降低成本。
晶圓包封材料方面,涵蓋液態壓縮成型和印刷成型兩大分類。其中,漢高液態包封膠材料擁有整個行業最低的翹曲,12英寸晶圓的翹曲可做到小于1毫米,能顯著提升良率。此外,在蓋板粘接和加強圈粘接方面,漢高目前擁有行業最全的導電膠產品組合。
漢高展示先進封裝解決方案
值得注意的是,談及先進封裝,繞不開的便是近幾年大火起來的Chiplet(小芯片/芯粒封裝)。事實上,先進封裝結合Chiplet(小芯片/芯粒封裝)的架構設計,正作為一條全新的賽道,吸引越來越多企業“轉型”。業界也不乏“以Chiplet為理念的2.5D/3D封裝會成長為主要的先進封裝形式”的未來趨勢判斷。
“Chiplet跟傳統的片上系統SoC不一樣,就是要把傳統的片上SoC一整片劃分成很多顆芯粒,我們稱之為小的Die,好幾顆Die。你把它換成小的Die、不同的Die進來之后,要怎么把它再拼接到一起,形成最后一個類似于SoC的片上系統。這里面因為有很多不同的Die,它涉及到的整體的先進封裝材料類型與剛剛講的三個類型還是一樣的,但是整個拼接的工藝等很多都會不一樣。”Ram Trichur解釋道。
他舉例表示,比如在底部填充膠上,Chiplet里面由于2.5D、3D等封裝技術,會有中介層(interposer),通過這個來做重新的布線、以及芯片和芯片之間的連接,就會涉及到從Die 到 interposer、從interposer到基板上的粘接,相當于會多出幾個底填的應用場景。基于應用場景變多,涉及到的底填材料解決方案的類型也會增多,對此,漢高也已經有了相應的研發項目和匹配方案。
不過,Ram Trichur也強調,相較于傳統的先進封裝,Chiplet的應用場景不一樣,后者是針對超算中心的,即算力要求已經超出了產品的封裝方式和單顆SoC所能實現的。但如果從整個行業來看,Chiplet也只是先進封裝的一個子集而已。
當然,可以預見的是,伴隨大模型浪潮席卷開來,算力需求逐漸超過半導體增長曲線,Chiplet正成為滿足需求的關鍵技術,能夠實現芯片互連的“萬能膠”顯然進入了更大的發揮空間。
聚焦中國,助力客戶創新與轉型
百年深耕,漢高的足跡已經遍布各地,特別是其電子事業部,公司的研發和應用技術遍布亞洲(中國、越南、日本、韓國等)、歐洲(德國、愛爾蘭)、美國等地。
作為一家全球性企業,在談及全球市場的業務布局時,漢高也非常強調中國市場。事實上,結合行業近年來的一系列動態,可以很明顯感受到的是,無論是汽車半導體市場,還是生成式AI領域,中國市場越來越成為跨國公司業務拓展的重點。
Ram Trichur也在大會上感嘆,“當前,中國半導體行業發展迅猛,并連續多年成為全球最大的芯片消費市場。其中,新能源汽車領域的持續增長,以及以AI為代表的算力升級需求,不僅成為半導體行業發展的兩大動力,也同樣帶來了更多挑戰。”
漢高粘合劑電子事業部全球創新&生產網絡
對此,漢高粘合劑電子事業部亞太地區技術負責人倪克釩博士也表示,“在先進封裝領域,我們有和我們全球大客戶合作的經驗,在這方面希望能夠把我們這些先進的經驗帶給中國的客戶。”
目前,漢高在中國投入頗多,僅在上海就有3個研發中心,還擁有煙臺、上海、虎門、廣州、珠海等多個生產基地。
2022年8月,漢高電子粘合劑華南應用技術中心正式開啟,該中心擁有多個先進的測試分析和研究實驗室,以及聯合開發實驗室,全力支持消費電子客戶加速下一代定制產品的開發。2023年5月,漢高在上海張江投資約5億元(人民幣,下同)建立中國和亞太地區的創新中心,開發先進的粘合劑、密封劑和功能涂料解決方案;6月,漢高以“鯤鵬”命名的粘合劑技術工廠在山東省煙臺破土動工,投資約8.7億元,將增強漢高的高端粘合劑生產能力。
“漢高作為半導體封裝的領先材料供應商,以靈活穩定的供應鏈,配以創新的解決方案,來幫助半導體客戶直面挑戰、應對不斷變化的市場,進而推動本地半導體產業鏈發展,連接未來。”Ram Trichur表示。
寫在最后
進入后摩爾時代,先進制程貼近物理極限,如何延續芯片的性能提升速率,成為全球半導體產業迭代升級的挑戰之一。特別是在格外強調降本提效的當下,先進封裝又如何實現更高的芯片整合、翻倍的性能,也是企業所必須迎接的挑戰。
而這背后,毋庸置疑的是,作為“幕后功臣”——粘合劑的存在至關重要。或許,漢高正利用手中的舵,駛向風口之巔。
來源:蓋世汽車
作者:余有言
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