[原創] 先進封裝走向汽車電子，或引致供應鏈洗牌！|半導體行業觀察

來源：本文由半導體行業觀察翻譯自 semiengineering ，作者 Ann Steffora Mutschler 和 Ed Sperling， 謝謝。

汽車 OEM 廠商正在以各自的速度加速汽車的電氣化，為此它們都開始擁抱全新的封裝方法，以便在這個競爭越來越大的市場里實現自身的差異化。

wirebond 曾經是這個市場的支配者，那時候大多數晶元都相對來說不太複雜而且產品周期長——有時候長達 5 到 7 年。但隨著汽車製造商開始規劃發展越來越快的駕駛輔助或完全自動駕駛未來，他們也開始考慮使用先進封裝來保持自己的技術優勢以及更快速地將產品推向市場。

「我們看到在汽車應用的封裝選擇和考慮上有越來越多的新的不同選擇。」STATS ChipPAC 產品技術營銷副總監 Edward Fontanilla 說，「其中一個例子是用於 77GHz 先進駕駛輔助系統（ADAS）的高頻雷達設備。這些高頻雷達設備需要遠遠更加緊湊的 RF 信號隔離和激進的性能目標。fan-out 晶圓級封裝（FOWLP），尤其是嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB），正在變成人們普遍選擇的封裝技術。」

圖 1：恩智浦的 FOWLP 雷達模塊，來自：恩智浦

Fontanilla 指出了在汽車電子器件中使用 fan-out 方法的一些優點，其中包括：

• 不再需要層壓基板（laminate substrate），而代之以銅再分布層（RDL）。這種 RDL 具有更短的連接距離，從而可以顯著降低阻抗。
• 和許多先進封裝方法一樣，它可以將外形尺寸做得更小，而且可使互連中的寄生效應更低，這對於高頻應用而言是至關重要的。
• 晶圓級工藝的公差更低，可以實現更好的產量，對於高頻應用而言具有成本效益。
• 和所有的 fan-out 技術一樣，它提供了更大的設計靈活性，因為其中的布線干擾更少，且 RF 信道也有足夠的隔離。

其他人也談到了汽車製造商對先進封裝的興趣的類似增長。

「汽車製造商本身就對此直接感興趣，尤其是一級廠商。」ASE Europe 高級技術總監 Jean-Marc Yannou 說，「奧迪這樣的 OEM 認識到汽車的差異化越來越多地來自於電子器件，因為汽車製造商已經解決了內燃機的大部分問題。所以它們往電力或混合動力方向發展。這是一個差異化因素。另一個差異化因素是一直走高端路線的汽車。消費者想在汽車裡用上大量小工具，比如能夠按一個按鈕就能通過電來調節座椅、加熱座椅、打開行李箱或天窗。」

他指出汽車 OEM 非常清楚可以通過電子組件來實現汽車的差異化。他們也理解他們無法通過使用一種不同的 CMOS 技術來做到差異化，這樣它們在舊節點和遷移到 10/7nm 節點就沒什麼較大的差別了。對於汽車應用，規模還不夠大，不足以在器件尺寸縮減時顯著降低價格。

Yannou 說：「投資/資本性支出的水平如此之高，以至於汽車製造商需要非常非常高的產量才能證明這個舉措的合理性。它們會跟隨的，但它們很好地跟隨的是無線行業。在新一代 CMOS 技術節點的採用上，它們仍然還落後 5 年時間。」

但是，當涉及封裝時，則完全是另一幅圖景。

他說：「過去，各個硅節點都是一樣的，我們只是無線行業的跟隨者。現在，我們做了越來越多實際上特定於汽車行業的事情。奧迪曾說半導體的所有差異化（這本身就是電子器件以及廣義上的汽車的差異化）都將會是封裝。通過縮減整體尺寸，有了更好的散熱和更低的電損耗，封裝就可被用於將性能提高到更高的水平。」

儘管電子器件封裝的尺寸可能是一個設計因素，但鑒於汽車內部空間很大，所以真正的重點在於隱藏電路的能力。Yannou 說：「電子器件必須不能讓用戶的眼睛看到，小型化是一個重要因素。」

什麼類型的封裝？

但是，這並不是簡單地用一種技術替換另一種技術，還需要考慮一些因素，比如這些器件的使用方式、使用環境、哪種封裝技術最好。當前廠商基本都押注 fan-out，但也可能轉向，從而將其它封裝技術納入進來。

「使用環境是至關重要的，」SEMI 協同技術平台副總裁 Tom Salmon 說，「你需要思考它是用在引擎蓋下還是信息娛樂系統中，以及在 2025 年情況會怎樣。然後，你的封裝需要什麼材料？因為已經不再是過去那樣有一級和二級玩家定義接下來 20 年的發展，所以情況可能非常不同。」

因為並非所有元件都需要為每種新應用進行改變，所以封裝也提供了一些靈活性。作為現已停止的國際半導體技術發展路線圖（International Technology Roadmap For Semiconductors）的後繼項目，異構集成發展路線圖（Heterogeneous Integration Road Map）的開發團隊目前正在研究汽車等不同市場的一系列參考平台。針對這些市場，不同的工作團隊正在開發 2.5D、3D 和 fan-out 技術的指南。

Salmon 說：「其目標是為開發正確的器件創造最優的平台，並且仍然可以靈活地使用晶圓級封裝或晶元級封裝或針對特定環境優化的任何技術。」

fan-out 最近已經得到了非常多的關注。TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 稱 fan-out 晶圓級封裝是一種顛覆性技術，因為它不需要基底或傳統的底部填充膠，而且在代工廠或 OSAT 就能完成所有封裝。但她指出它確實還需要晶元-封裝的協同設計。

「因為性能的原因，雷達模組就使用了 fan-out 晶圓級封裝。」Vardaman 說，「這是 RF，所以很低的寄生效應是非常重要的。如今也有很多 wirebond 和 QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無引腳封裝）。更多引腳的微控制器的工藝正從 wirebond 遷移到倒裝晶元，而且在各個部件中還有一些系統級封裝模塊。」

圖 2：fan-in 與 fan-out，來自：TechSearch International/STATS ChipPAC

可靠性與未知

在這種如何將晶元做到一起的轉變之下，還有對可靠性的擔憂，而可靠性一直以來都是汽車等安全性至關重要的市場的關注重心。曾經相關的討論還比較簡單直接，但隨著汽車中的電子器件越來越多，複雜性也隨之提升到了全新的水平。封裝只是這個討論中的又一個方面而已。

「功能安全需要系統性的方法，但我們很難確定如何實現它。」西門子業務部門 Mentor 的嵌入式系統部門首席安全官 Robert Bates 說，「你需要計劃隨機故障的可能性。這種事確實會發生。你需要在了解了硬體和軟體都越來越複雜的基礎上做到這一點。對於機器學習和神經網路，軟體並不是直接為最終目的實現的。而且對於安全性至關重要的硬體而言，通常會使用老幾代的硬體，而且你要在自動系統中加入未經證實和不同的情況。」

儘管先進封裝有插入和移出器件的能力，但如果這些器件是為在這些封裝中工作而開發的，那麼這項工藝就要更加可以預測。問題在於，為了保持在這項技術上的領先，汽車製造商已經陷入了瘋狂的爭奪中，所以它們越來越多地用上了各種商業可用的器件，這些器件不是為先進封裝開發的，也沒在極端環境下長時間地測試過。

Bates 說：「這讓一級和二級供應商陷入了困境，它們需要提供更多數據。」

儘管數據可以模擬，但來自真實世界測試的可用數據卻少得多，這又使得公司有責任對這些器件進行更多驗證和測試。

「隨著我們『跟隨晶元發展』，將會需要大量測試。」Astronics 高級戰略營銷經理 Anil Bhalla 說，「我們將必須根據監管標準驗證設計和製造作業會得到無缺陷和安全的解決方案。比起智能手機等消費設備，汽車需要使用遠遠更成熟的技術。而且這種測試在器件層面和系統層面都要做。」

這也只是一個起點而已。Bhalla 說：「隨著我們對缺陷機制有更好的理解，安全性至關重要的應用還將需要額外的測試。這個行業目前假設這可以基於早期的試驗。更大規模的更多試驗將能使這項新技術逐漸推出。自動駕駛的經濟價值正在激勵整個半導體生態系統在這一轉型過程中的發展。」

供應鏈重新洗牌

對自動駕駛汽車和先進電子器件的推動至少可以部分追溯到特斯拉公司，直到幾年之前，大多數賺錢的大型汽車製造商都很大程度上忽視了這家公司。特斯拉推出的自動駕駛技術改變了這一切，顛覆了供應鏈，並給已經存在穩固了幾十年的關係帶來了質疑。突然之間，汽車製造商必須互相競爭才能與時俱進，並且要越來越努力地開發駕駛輔助和全自動駕駛技術。

但它們沒有根據已有的器件開發所有一切，而是開始搜索最佳的技術，不管這種技術來自哪裡。但這並不是一兩種器件的問題。它需要電子內容的混合搭配，其中包括 RF 子系統、電源管理單元、發動機控制器、感測器套件以及使用CPU、GPU和各種硬體加速器的高級邏輯。

此外，這些器件中許多都是由那些此前彼此之間交流很少或沒有交流的公司開發的。ASE 的 Yannou 回憶了最近由 ASE 和一級廠商 Valeo 之間的一家 OEM 組織的會議：「開始的時候 Valeo 的人有些氣惱，因為他們問我和我的一個次次級分包商在這裡做什麼。這家 OEM 告訴 Valeo：『你需要與 ASE 合作，你們需要一起做這個集成模組。如果你可以在 PCB 的一面做好一切，那你就可以釋放該 PCB 第二面的空間，從而可以在另一面構建 WiFi 模組。』」這個項目今天還在運作。

這家 OEM 還意識到：現在製造一輛汽車就像是將模組組裝到一起。Yannou 說：「看看特斯拉的底盤，實在太過簡單了。就是些焊接在一起的鋁管、很多電池、一個電動機和一些電子件，也就這些。其它的汽車 OEM（尤其是歐洲的，另外也有世界其它地方的豐田、通用和福特）都是內燃機專家。但因為汽車行業正在遠離這些引擎，所以情況在發生變化。現在你想想看，一家電池專家或一家電子產品專家也可以像福特、通用、豐田、雷諾、標緻、大眾、奧迪、寶馬等發動機專家一樣生產好車。所有這些傳統的汽車 OEM 實際上都害怕它們的未來業務。」

這直接影響了正為汽車開發的封裝技術。大多數汽車信息娛樂應用仍然在使用 wirebond，比如 GPS、音頻控制器和 USB 設備，另外還有電動汽車和混合動力汽車中使用的 MCU、儀錶、電源管理系統和車身系統（包含乙太網、收發器和內部照明組件）。但據 STATS 的 Fontanilla 稱，對於 ADAS 等新系統以及更與時俱進的信息娛樂、儀錶和車身系統，fan-out 正越來越受歡迎。

此外，這些封裝也在開始將為移動市場開發的晶元包含進來。「今天的主要論調是『如果這在智能手機裡面有效，為什麼在汽車裡會無效？』」Yannuo 說，「事實上，往往只需要改變很少——甚至不做改變，它就能有效。這只是個時間長短和困難度大小的問題。實際上，這些技術相當魯棒。」

但是，究竟這將如何在封裝的世界裡發揮作用？我們還不清楚。

「英飛凌這樣的大型 IDM 和 Continental 這樣的一級廠商往往會使用成熟的技術，其在汽車上魯棒性已經得到了很好的證明，比如 QFP（quad flat package ，方型扁平式封裝）或通孔類型的封裝。」Yannou 說，「它們會拒絕使用有機基底 BGA、LGA。它們不會使用 QFN，因為你看不到引線，所以你無法檢查與電路板的焊接。這些理由都是合理的。更小型的玩家可能敢於使用新技術，所以在這種震蕩下，整個供應鏈也會迫使大型玩家重新思考是否採用一些新技術。

原文鏈接：https://semiengineering.com/advanced-packaging-moves-to-cars/

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1362期內容，歡迎關注。

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