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铜线芯片技术芯片封装厂或转向铜键合

芯片封装领域正掀起一片技术改革潮,可望大幅降低封装成本与芯片价格,并催生更廉价的终端电子产品;但这波改革与炒得正热的3D芯片──即所谓的硅穿孔(through-silicon-vias,TSV)芯片堆栈技术──关联性不大,而是原本以黄金(gold)为主要材料的打线接合(wirebonding)技术,突然转向采用价格较低的铜。多年来,打线接合一直是芯片产业所采用的主要封装技术,并以细黄金线来连结IC组件、制作接脚;但黄金价格近年来不断飙涨,幅度甚至已达200%,让很多(但不是全部)芯片厂商有了个好借口转换技术,纷纷改用铜线进行打线接合。据估计,采用铜线的封装成本比采用黄金线便宜了至少三成。 基于以上理由,包括博通(Broadcom)、联发科(MediaTek)、意法半导体(ST)与德州仪器(TI)等厂商,都悄悄提高了采用铜线接合的组件产量。而芯片封装厂如日月光(ASE)、硅品精密(SPIL)与新科金朋(STATS ChipPAC),也正大力推广铜线接合制程技术。根据业界预测,光是台湾两家封装厂日月光与硅品精密,今年内采购的铜线接合设备,总计就超过4,000台。 至于艾克尔(Amkor Technology)等其它厂商,却仍看到市场对黄金线接合技术的需求较高,因此对铜制程并不热衷。目前市面上有九成的芯片仍采用金线接合技术;虽然各方预测数字不一,但黄金在芯片封装领域正迅速失宠,有人认为到2013年,将有七成的半导体组件会改用铜线接合。 针对此一议题,打线接合设备供应大厂Kulicke & Soffa Industries Inc. (K&S)资深营销副总裁Christian Rheault表示,与采用黄金的打线接合技术相较,铜线接合大约能减少两到三成的整体IC封装成本;而这接下来可望让单芯片平均价格,呈现5%的逐步下降趋势。 芯片封装改用铜线接合技术,也可望催生更廉价的终端电子产品如手机、个人计算机(PC)等,但Rheault指出,这也可能产生一些负面效应──成本较低的铜线接合制程可能让芯片产业的利润与销售被反咬一口,也就是说,芯片产业领域可能因此出现「结构性变化」。 「当越来越多客户改用铜线接合,特别是消费性电子与手机市场的大厂,必然会掀起一波竞争热潮,因为没有人想落后。」新加坡IC封装大厂新科金朋技术项目副总裁Flynn Carson表示。全球最大IC封测厂日月光的北美市场资深副总裁Rich Rice则将打线接合由黄金转换至铜制程的趋势,比喻为扭转市场局势的推手。 Rice表示,黄金线接合技术并不会完全消失,但铜线接合在各主要应用领域的能见度会越来越高;他并认为铜线接合对整体芯片产业其是有利的。他进一步解释,依据不同产品,铜线接合可降低8~15%的整体IC封装成本,而如果芯片制造商赶搭这波技术热潮的同时,仍将产品平均售价维持在差不多的水平,就能提升利润空间。 但这就是争议所在;可能会有部分投机芯片商藉由改用铜线接合技术降低产品售价,并因此引爆市场价格战、颠覆整个IC产业。此外也许是一厢情愿的想法,虽然很多都坚信芯片制造商并不会透过改用铜线接合来要求封装厂降价;其它人则预期芯片商会想改用铜线接合来节省成本,并藉此敲诈他们的封装代工伙伴。 黄金价格飙涨 廉价铜材料大获青睐 回到技术层面来看,目前仍是芯片封装主流的打线接合,最常使用的材料是铝、铜与黄金;在某种程度上,铝跟铜线较适用于功率组件,但考虑材料产量与其阻抗、表面腐蚀度等整体性能表现,大多数组件封装仍采用黄金线。 过去十几年来,K&S等厂商致力将铜线推广至主流打线接合制程,特别是金价在十年前开始不断飙高;但铜线接合一直因为良率与材料的阻抗问题,无法跃上台面。然而在过去的五年来,黄金价格已经涨价172%,由2005年8月时的每盎司430.9美元,来到每盎司1,244.99美元(9月9日收盘价);相较之下,铜价格目前每盎司仅3.42美元(同样为9月9日收盘价)。 芯片商Intersil全球营运与技术资深副总裁Sagar Pushpala表示,黄金价格每上涨100美元,就会让整体IC封装成本增加5%,这几年来,该公司芯片封装成本已经成长了30~40%。因此,业界改用铜线接合的趋势近来有加速现象;很早就开始采用铜线接合技术的TI就表示,该公司藉此取得了竞争优势。 以材料性能来看,相关数据显示,铜线在室温之下的电阻率为0.017 micro-ohm-m,同样在室温下,黄金线的电阻率则为0.022 micro-ohm-m,因此铜线的导电性比黄金线高出25~30%。此外铜的温度传导性也比金高出25%,用于芯片封装中,散热与省电表现也比黄金来得好。 但铜线也有以下劣势:1. 铜的氧化温度相对较低;2. 铜的硬度较高;3. 铜线在进行故障分析时会有一些困难;4. 铜线接合制程的良率较低。总的说来,铜线接合与黄金线、铝线接合技术相较虽然有不少优点,但仍面临一些待克服的技术挑战。 不过对此新科金朋的Carson表示,其实铜线封装技术已经趋于成熟,很多客户也认可了该制程的可靠度、并进行量产;除了态度较为保守的汽车、服务器与储存设备领域的客户,对铜线接合技术仍有一些疑虑。 在芯片封装厂这厢,最早采用铜线技术的其实是小型分包商,包括马来西亚业者Unisem;该公司在印度尼西亚与中国的据点都已量产铜线接合制程,并计划持续扩充产能。此外排名全球第四大封装代工厂的新科金朋,已在新加坡、马来西亚、中国、韩国与泰国的据点装设铜线接合机台;该公司新加坡据点的产量,有13~15%是属于铜制程(2009年底资料)。 台湾封装业者也是铜线接合技术的拥护者。2010年资本支出规模约7亿美元的日月光,也在铜线接合技术方面大笔投资;截至第二季,该公司的铜线接合机台总数为2,775台,其下半年将采购的700~750台打线设备中,也有多数将采用铜制程。在2009年铜制程占据日月光打线接合总产能的10%以下,该数字预计在2010年达到三成,并在2013年达到七成。 另一家2010年资本支出规模预计为6.58亿美元的台湾封装大厂硅品精密,目前拥有6,199台打线接合设备,该公司计划在第三季装设800台新的铜线接合设备,并在第四季再加装400~500台。 但来自美国的封装代工厂艾克尔,对铜线接合技术的态度较为不同;尽管在官方网站上宣称拥有4,000台支持铜制程的打线接合设备,该公司总裁暨执行长Ken Joyce在最近的分析师财报会议上却表示,多数产品较高阶的客户还是偏好采用黄金线接合技术,会选用铜线接合的以低价、低阶产品为大宗,高阶产品不太多。 但日月光表示,该公司铜材料也已开始大量应用在BGA、QFP、QFM等封装制程中,该公司采用铜封装制程的产品,平均为128接脚,可见该技术并不是仅用于简单的组件。新科金朋也在传统QFN、QFP、FBGA与PBGA制程中采用铜接合技术,并表示该技术已逐渐往较复杂的应用迈进。
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