《2.5D/3D矽通孔(TSV)和晶圓級堆疊技術及市場-2019版》

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2.5D/3D TSV & Wafer-Level Stacking Technology & Market Updates 2019

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2.5D異構和3D晶圓級堆疊正在重塑封裝產業。

堆疊:一種摩爾定律以外的高度集成替代方案

摩爾定律的放緩,為滿足行業大趨勢嚴格指標要求的新發明開闢了道路。

在封裝領域,許多半導體廠商傾向於2.5D和3D堆疊技術,而矽通孔(TSV)是最早的堆疊技術之一。

經過數年的發展和對MEMS的關注,它最終進入了許多應用領域。

如今,2.5D和3D堆疊技術已成為能夠滿足當前人工智慧(AI)和數據中心等應用性能需求的唯一解決方案。

堆疊技術已被應用於高、中、低端市場的各種硬體,包括3D堆疊存儲、圖形處理單元(GPU)、現場可編程門陣列(FPGA)和CMOS圖像傳感器(CIS)等。


各種應用中先進堆疊封裝技術的市場機遇



高帶寬存儲(HBM)和CMOS圖像傳感器等硬體占據了TSV市場的大部分營收。

堆疊技術整體市場規模將在2023年超過55億美元,在此期間的複合年增長率(CAGR)可達27%。

對於目前來說,消費類市場是最大的細分市場,其市場份額超過了65%。

但矛盾的是,這並不意味著消費類市場就是這些技術的主要驅動因素。

事實上,高性能計算(HPC)是堆疊技術的真正驅動因素,在2019~2023年期間將呈現最快的增長速度,市場份額預計將從2018年的20%增長到2023年的40%,就封裝營收而言,這相當於2018年營收的6倍以上增長。

相應的,消費類市場份額將減少,而汽車、醫療和工業等其他市場將維持目前的市場份額。


2018~2023年按市場細分的堆疊技術營收



從TSV到晶圓級堆疊,封裝技術正在蓬勃發展

由於堆疊技術競爭主要集中在「TSV」和「無TSV(TSV-less)」之間進行,因此Yole在本報告中針對這兩類技術進行了分析。

對於目前的高端市場,市場上最流行的2.5D和3D集成技術為3D堆疊存儲TSV,以及異構堆疊TSV中介層。

Chip-on-Wafer-on-Substrate(CoWos)技術已經廣泛用於高性能計算應用,新的TSV技術將於2019年上市,即來自英特爾(Intel)的Foveros(基於「有源」TSV中介層和3D SoC技術,具有混合鍵合和TSV互連(可能)技術)。

Foveros的出現表明,雖然「TSV」受到了來自「無TSV」技術的挑戰,但廠商仍然對它很有信心。

我們不能忽視「無TSV」技術在市場上的興起。

這些創新可以劃分為「帶基板型(with substrate)」和「嵌入基板(embedded in substrate)」兩組。

嵌入式多晶片互連橋接(EMIB)技術已經商業化,是「嵌入基板」組的一種,其Si橋在基板中較深的位置。

其他基板技術也正在開發中,但仍未上市,例如集成薄膜高密度有機封裝(I-THOP)和倒裝晶片-嵌入式中介層載具(FC-EIC)等。


左邊是業界標準2.5D封裝的晶片,右邊是英特爾EMIB封裝的晶片


「帶基板型」技術也用於TSV替代,例如基板上集成扇出型封裝(InFO),它廣泛用於蘋果公司(Apple)的處理器。

此外,再分配層(RDL)中介層技術目前正在開發中,預計將在2020年上市。

最後同樣需要注意的是,基板上扇出型晶片(Fan Out Chip on Substrate, FOCoS)於2016年開發並商業化,但似乎訂單並不多。

堆疊技術賦能的CMOS圖像傳感器發展路線圖



混合鍵合技術可以橋接「TSV」/「無TSV」這兩個主要技術類別。

這項技術的獨特之處在於它可以同時成為TSV技術的挑戰者和支持者。

自2016年以來,它一直被用於智慧型手機的CMOS圖像傳感器,並且在不久的將來,它將作為一種互連解決方案整合存儲和2.5D高端市場。


2018年「無TSV」堆疊技術概覽



誰在支持並投資堆疊技術?

各類不同的市場參與方都希望在不斷增長的55億美元堆疊市場中占有一席之地,目前主要有四種商業模式在堆疊業務領域參與競爭:代工廠、集成器件製造商(IDM)、外包半導體封測廠商(OSAT)和IP廠商。

據麥姆斯諮詢介紹,台積電(TSMC)、聯華電子(UMC)和格芯(GlobalFoundries)等晶圓代工廠,主導了TSV異構堆疊技術,因為它們有能力自己生產中介層。

擁有「Foveros」技術的英特爾,是唯一一個試圖在這個領域參與競爭的IDM。

對於3D堆疊存儲,競爭主要在IDM「三巨頭」三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix)和美光(Micron)之間,這些公司將繼續統治堆疊存儲市場。

同時,3D SoC是一種代工技術,很可能只有一家代工廠會生產它,以確保高良率並控制風險。

在這方面,台積電在上市時間的競爭中領先于格芯。

對於「無TSV」技術,競爭主要存在於代工廠、IDM、OSAT和基板製造商之間。

三星、英特爾和台積電等廠商,都參與了「有」和「沒有」TSV技術的開發。

2016年,OSAT巨頭日月光(ASE)向市場引入了FOCoS技術,而安靠(Amkor)等其他廠商也已經開發出了合適的技術,但仍然在等待訂單中。

日本新光(Shinko)、欣興電子(Unimicron)以及最近的富士通互連科技(Fujitsu Interconnect)等基板公司,仍然在研發中。

IP廠商Xperi的混合鍵合技術處於「有TSV」和「無TSV」技術之間,預計將對市場產生積極影響。

Xperi的另一個優勢是其技術兼容高端和中/低端細分市場。

代工廠、IDM和IP廠商相比OSAT在堆疊技術方面有優勢,因為後者在獲得訂單方面有困難。


主要堆疊技術及廠商概覽



本報告涉及的部分公司:Alchip, Aledia, Alibaba, Amazon, AMD, Amkor, AMS, ANPEC, Apple, ASE, ASUS, Atos, Audi, Avago, Baidu, Bosch, Bitmain, BitFury, Broadcom, Canaan, Carsem, Cisco, Cray, DARPA, EBANG, EMmicroelectronic, EPworks, Facebook, Faraday, Fingerprints, Foxconn, Fraunhofer, Fujitsu, Gigabyte, GlobalFoundries, Google, GUC, HalongMining, HLMC, HP, Huatian, Huawei, Ibiden, IBM, Icsens, IMEC, Inari Technology, Infineon, Innosilicon, Intel, InvenSense, JCET STATS ChipPAC, Juniper, Lenovo, Leti, Lfoundry, LGinnotek, mCube, Melexis, Memsic, Mercedes-Benz, Micralyne, Micron, Microsoft, NEC, Nokia, Nvidia, NXP, Omnivision, ON Semiconductor, OpenSilicon, Osram, PTI, Samsung, SensL, Shinko, SK Hynix, SMIC, Sony, SPIL, STMicroelectronics, Tencent, TF, Toshiba, TPK, TSMC, UMC, Unimicron, Xfab, Xilinx, Xintek, XMC, Xperi, YMTC...

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