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【芯智驾】转向先进封装,或依然难解汽车缺芯“困局”?

来源:爱集微

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09-17 15:40

芯智驾──集萃产学研企名家观点,全面剖析AI芯片、第三代半导体等在汽车“大变形”时代的机会与挑战!

集微网消息,IHS Markit、路透等近期纷纷指出,今年上半年,汽车芯片短缺的主要问题在于前道晶圆产能,但“屋漏偏逢连夜雨”,而且芯片的供应链复杂且环环相扣,后道封装测试也成为当前的另一大挑战。

毋庸置疑,芯片对汽车制造和技术革新越来越重要,从提高燃油经济性的发动机计算机管理,到当下已是大势的汽车电动化和智能化,以及未来更高级别的自动驾驶,都依赖于芯片。一辆汽车将拥有成百上千颗芯片,其中大部分芯片缺一都将影响继续生产,因此2020年底以来的汽车“芯荒”延续至今。根据AutoForecast Solutions的最新数据,截至9月12日,全球汽车市场累计减产量达821.5万辆,比前一周增加了约88.8万辆。

汽车缺芯难解,未来预期仍不乐观

上周,汽车制造商齐聚2021德国国际汽车及智慧出行博览会(IAA Mobility),这也是自全球疫情爆发以来全球五大A级车展中首个率先举办的大型展会,但芯片供应持续短缺,给本次车展蒙上了一层浓浓的阴影。

疫情有所好转之后,各大汽车制造商本想加速恢复生产经营,但不曾想,被芯片绑住了手脚。经历了2021年一大半的艰难岁月之后,诸多汽车制造商对于未来预期仍不乐观,车企高管们在IAA Mobility期间透露,目前车企因为芯片短缺以及短缺情况何时会好转的不确定性而面临困难。

戴姆勒首席执行官Ola Källenius谈到,尽管公司希望芯片供应量在第四季度有所改善,但芯片需求的飙升意味着到2023年,芯片行业可能很难供应足够的芯片。宝马首席执行官Oliver Zipse表示,“供应链将持续紧张至2022年。我预计在未来6到12个月内,供应链短缺现象会持续存在。不过,从长期来看,半导体供应链问题还是有可能解决的。对芯片制造商来说,汽车行业是一个非常具有吸引力的客户。”大众集团首席执行官Herbert Diess称:“使用半导体的产品需求激增可能会导致半导体供应困境持续。物联网正在发展,产能提升也需要时间。这可能是未来几个月甚至是几年内都会面临的瓶颈问题。”大众集团负责采购的管理委员会成员Murat Aksel表示,汽车行业需要将半导体产能提高约10%,才能达到合理的供应水平。

IHS Markit对此表示,“第三季度汽车生产前景将受到严重影响,损失程度现已超过第二季度。今年早些时候发生火灾事故的瑞萨电子虽然已经恢复了生产能力,但可能要到9月底才能出货,因此第三季度的供应情况将会受到一些影响。”车用芯片晶圆代工大厂台积电也在今年1-6月优化了生产线,这期间汽车芯片的产量同比增长了30%。

图源:路透

但短期来看,这对于解决汽车“芯荒”似乎是杯水车薪,汽车缺芯难解的本质在于,汽车芯片大部分用的8英寸晶圆代工产能持续吃紧。由于8英寸投资回报相对较低,芯片行业在2000年之后开始使用12英寸晶圆,部分8英寸晶圆厂陆续关停,总产能在萎缩。因此,尽管汽车行业缺芯十分严重,但晶圆代工厂对扩建产线并不是很积极,而且从产能角度来看,建厂导入设备往往需要2~3年时间,车用芯片很难通过新建产能迅速提升供给量。格芯近期也表示,今年将其汽车芯片产量至少增加一倍,并再投资60亿美元来扩大整体产能。不过,格芯同时警告,扩产计划要到2023年才会见到成果。

汽车芯片封装产能紧缺,加剧短缺形势

汽车芯片前道晶圆产能缓解尚需时日,后道封装测试又加剧了这一短缺局面,与主要影响汽车MCU的晶圆厂产能限制不同,封装产能限制波及范围更大,影响所有类型的半导体。“封测重地”马来西亚受到的疫情影响也给半导体供应带来进一步影响。

封装是汽车芯片量产上车前的重要一环,它对于芯片的可靠性和性能正变得越来越重要,只有这两者都满足严格的安全标准,才能前装量产。汽车行业首要强调的是安全,因此十分看重零失效标准、零缺陷管理,对于封装内的芯片和封装本身都是如此。业内人士指出,“乘数效应”是汽车半导体可靠性的一大挑战,组件级别每百万分之一的失效率就会导致车辆1%的故障率,为了获得最高的可靠性,因此需要零缺陷,封装在实现汽车应用的零缺陷、安全性方面发挥着重要作用。

汽车芯片按照使用领域不同,基本涵盖当下半导体所有的封装形式,包含TO(传统的打线封装)、TSSOP(薄小外形封装)、QFN(四方无引脚扁平封装)、QFP(四方引脚扁平式封装)、BGA(球栅阵列式封装)和LGA(触点阵列封装)等, 也涉及eWLB(扇出型晶圆级封装)、 CSP(芯片尺寸级封装)、PiP(堆叠封装)、PoP(层叠封装)和fcBGA(倒装芯片封装)等。 互联工艺主要包括Wire bonding(压焊), 也涉及Flip-chip(倒装芯片)和欧姆重布线互联等。

当下,随着AI和智能驾驶,域控制器的导入,对芯片和封装的要求越来越高,后续模块化的封装型式越来越多。长电科技汽车电子事业部总经理郑刚对集微网表示,“向高度集成的WLP(晶片级封装)、SiP(系统级封装)、AiP(系统级封装)、fcBGA和 Smart IPM等发展的趋势也将对封装工艺、结构和可靠性提出很大挑战。” 

总体而言,汽车芯片和消费电子的封装有相似之处,在层压基板和引线封装方面,二者工艺流程类似,当然也存在差异,这一差异在一定程度上加剧了汽车芯片的封装产能紧缺。郑刚指出:“汽车芯片和消费电子芯片的主要差异在于晶圆和硅节点技术,汽车芯片基本上用的都是成熟工艺,以8英寸晶圆和12英寸的40nm及以上为主,当然12英寸的28nm、14nm和7nm在车载SoC上也逐步导入。同时,汽车芯片还要通过车规AEC Q100和AEC Q201等车规验证,对材料的选择以及产品的生产测试与认证通过也有更严格的要求。此外,之前晶圆厂基本都在扩产12英寸晶圆,但这对汽车芯片的扩产帮助不大。”

先进封装有利实现差异化,但不足以解决当前困境

电气化、网联化和智能化驱动汽车搭载的芯片越来越多,汽车芯片封装也成为封装领域发展最快的市场之一。当然,这不仅仅是更多的芯片而已,更多的芯片必须正常工作,而封装是其中的关键组成部分。

另一方面,汽车制造商也开始拥抱创新的封装形式,这些先进封装可以支持更高的集成度和更低的寄生效应,帮助车企在竞争越来越大的市场里实现自身的差异化。奥迪就曾说过,半导体的所有差异化都将会是封装,通过缩减整体尺寸,有了更好的散热和更低的电损耗,封装就可被用于将性能提高到更高的水平。

那么,汽车芯片的封装能否向先进封装转换,以解决当前这一困局?对此,郑刚认为,汽车芯片由于自动和辅助驾驶等技术驱动,已经慢慢向先进封装靠拢,但这是完全不同的应用,而且还不足以解决目前成熟工艺产能不足带来的困境。为配合新的技术需要,则需要更多的成熟半导体车载产品来配合。而这在另一方面又加剧了目前普遍存在的产能不足的问题。

谈到汽车芯片封装面临的实质困难和挑战,郑刚指出,汽车芯片相对消费电子芯片来讲量小种类多,其会导致产线的有效利用率或有效生产效率下降。目前,集成电路制造产业资源调配也因为疫情而催生和影响的应用市场变化而发生了此消彼涨的现象,尽量有效集中量产以提高产线的利用率则是较为可行的短期解决方案之一。长电科技一直在积极的与产业链合作伙伴一起来共同探讨最佳的路径,在满足市场短期需求的同时,促进整个产业链长远,健康的发展。

结语

长远来看,汽车搭载半导体价值量的增加,汽车电子等集成电路应用市场正面临着前所未有的机遇和挑战,汽车智能化的发展也给芯片成品制造行业带来很大的机遇。例如,面对汽车智能化这各市场机遇,长电科技今年成立汽车电子事业部,持续提高内部车规产品体系整合和系统完善,同时与业务部门一起与车载主机厂和芯片厂紧密合作,促进集成电路成品制造上下游企业共同进步。

但论及当下也不乏挑战,伴随需求的激增,封装产能也需要扩大。然而,封装厂利润仅仅是晶圆厂利润几分之一,所以封装厂在增加产能方面有更多的犹豫。封装设备也存在短缺,由于制造设备所用半导体的短缺,一些设备的交期增加到40周,而且涨价普遍,这使一些中小规模的厂商处境更为堪忧。(校对/Jimmy)

责编: Carrie

Sharon

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