OSAT視角：汽車半導(dǎo)體市場及其制造所面臨的挑戰(zhàn)

汽車半導(dǎo)體市場在過去十年間保持連續(xù)增長，絲毫沒有放緩的跡象。

汽車行業(yè)的發(fā)展主要源于管控汽車的幾乎各個方面都采用了電子器件，而安全標(biāo)準(zhǔn)的提升以及從半自動到全自動電動汽車的發(fā)展，也使汽車行業(yè)的增長更加穩(wěn)固。圖1顯示，盡管2016年至2022年的汽車產(chǎn)量預(yù)計將增長13%，但汽車電子器件預(yù)計同期將從1990億美元增長至2890億美元，增幅達(dá)45%。圖1同時還顯示，每輛車的電子器件價格以“曲棍球棒曲線”形式增長——從2016年的每輛車2000多美元增長到2022年的每輛車2700美元。

圖1：2016-2022年的汽車電子器件市場。來源：Prismark，2018年10月

圖2顯示了汽車駕駛自動化各等級中的雷達(dá)、攝像頭（CMOS圖像傳感器[CIS]）和激光探測及測距系統(tǒng)（激光雷達(dá)）傳感器模塊的預(yù)計增長數(shù)量。目前大多數(shù)高端汽車都屬于2級自動駕駛，而5級則是完全自動駕駛。如圖所示，各種傳感器的數(shù)量將在達(dá)到4級和5級自動駕駛時明顯增長^[1]。

圖2：汽車駕駛自動化各等級中的雷達(dá)、攝像頭和激光雷達(dá)模塊數(shù)量。來源：? Infineon Technologies AG.

以上提到的所有電子器件增長領(lǐng)域都在使用各種半導(dǎo)體產(chǎn)品。表1顯示了2013年至2018年半導(dǎo)體終端應(yīng)用收入的增長，以及2019年至2023年的增長預(yù)測。在過去五年（2013年-2018年），汽車市場的年均復(fù)合增長率（CAGR）為7.3%，而在接下來的五年，即2019年至2023年，預(yù)計還將增長6.3%，使之成為增長率最高的半導(dǎo)體細(xì)分市場。

表1：2013-2022財年不同終端應(yīng)用領(lǐng)域的半導(dǎo)體產(chǎn)品收入。來源：Prismark

汽車供應(yīng)鏈和市場主要參與者

表2總結(jié)了汽車半導(dǎo)體供應(yīng)鏈以及各條供應(yīng)鏈行業(yè)中的主要參與者。

表2：汽車半導(dǎo)體供應(yīng)鏈和主要參與者。

與大多數(shù)其他市場和行業(yè)不同，半導(dǎo)體集成設(shè)備制造商（IDM）通常不直接向汽車原始設(shè)備制造商（OEM）提供其產(chǎn)品。

相反，他們將自己的產(chǎn)品供應(yīng)給另一組被稱為“一級”供應(yīng)商的公司，如歐洲的博世（Bosch）和大陸（Continental），日本的電裝（Denso）和愛信（Aisin）或韓國的摩比斯（Mobis），這些一級供應(yīng)商為汽車OEM生產(chǎn)各種電子和傳感器模塊與器件。例如，一級供應(yīng)商生產(chǎn)制動和變速器模塊、油壓或液位傳感器模塊以及安全氣囊傳感器模塊。半導(dǎo)體器件是由一級供應(yīng)商制造的這些模塊中必不可少的部分。大多數(shù)頂尖的半導(dǎo)體集成器件制造商（IDM），如NXP、瑞薩（Renesas）或亞德諾（Analog Devices），都擁有自己的晶圓廠、封裝和測試設(shè)施。然而，外包生產(chǎn)已成為大勢所趨，其中以封裝外包為主。IDM通常不會將晶圓加工、晶圓針測和測試操作進(jìn)行外包，以便更好地控制這些制造流程。

這主要是考慮到汽車應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)格質(zhì)量要求?；蛟S出于同樣的原因，只有少數(shù)外包半導(dǎo)體和測試供應(yīng)商（OSATS）參與到汽車電子器件封裝和測試市場。提供汽車電子器件封裝和測試服務(wù)的前三大OSATS分別是Amkor、ASE和UTAC，市場聯(lián)合占有率高達(dá)95% ^[2]。正如后文所述，汽車電子器件封裝領(lǐng)域的挑戰(zhàn)不言而喻，進(jìn)入行業(yè)的門檻相對較高——擁有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的制造人員應(yīng)在工作中秉持“持續(xù)改進(jìn)，實現(xiàn)零缺陷”的理念。此外，該行業(yè)可能最長需要四年時間，消耗大量有價值的資源并經(jīng)歷千辛萬苦才能獲得回報，實現(xiàn)盈利。必須指出的是，一些無晶圓廠設(shè)計公司（例如高通）也向一級汽車供應(yīng)商提供半導(dǎo)體元件。

當(dāng)然，他們是將所有生產(chǎn)任務(wù)外包給晶圓代工公司和OSATS。

圖3：基于對MCU、電源和模擬產(chǎn)品技術(shù)要求的汽車封裝技術(shù)路線圖^[3]。

汽車應(yīng)用領(lǐng)域的封裝技術(shù)

在封裝類型方面，除了傳統(tǒng)的導(dǎo)線架基底解決方案外，汽車一級供應(yīng)商和OEM目前都在使用先進(jìn)的封裝解決方案。技術(shù)要求、封裝尺寸和降低成本是推動這種趨勢的主要因素。例如，8位汽車用微控制器通常采用薄窄間距小外形封裝（TSSOP）和方形扁平式封裝（QFP），并且大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈⊥庑我蛩睾透统杀镜姆叫伪馄綗o引腳封裝（QFN）。然而，在16位和32位微控制器中，由于較高的輸入/輸出（I/O）密度則采用倒裝芯片球柵格陣列（FCBGA）封裝解決方案。圖3顯示了基于工作溫度和電流/功率需求的汽車微控制器單元（MCU）、模擬和電源產(chǎn)品的高級路線圖^[3]。

該路線圖顯示，到2025年將大量使用導(dǎo)線架基底封裝。然而，在大功率、高電流或高溫應(yīng)用領(lǐng)域，使用了暴露焊盤、銅夾互連技術(shù)和銀燒結(jié)工藝等先進(jìn)的導(dǎo)線架封裝解決方案。圖4顯示了多家一級供應(yīng)商的模塊，可以看出它們均使用了大量導(dǎo)線架基底封裝。在導(dǎo)線架家族中，對于尺寸和成本降低的需求使得QFN在汽車上的使用數(shù)量顯著增加。但是汽車工業(yè)需要一種具有可側(cè)焊側(cè)翼的特殊QFN型式。汽車零部件制造商需要的是無法由標(biāo)準(zhǔn)QFN完成的可檢測焊點(diǎn)。圖5顯示了可側(cè)焊QFN的細(xì)節(jié)。UTAC和Amkor Technology都擁有可側(cè)焊QFN解決方案的專利。

圖4：顯示大量使用導(dǎo)線架基底封裝的多種汽車應(yīng)用模塊示例。來源：*TechSearch International； **NVIDIA

圖5：汽車工業(yè)需要允許對板級焊點(diǎn)進(jìn)行檢查的可側(cè)焊QFN。

汽車廠商傳統(tǒng)上習(xí)慣堅持使用經(jīng)過可靠性驗證的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線架。由于半導(dǎo)體在汽車上的廣泛應(yīng)用，先進(jìn)封裝解決方案的使用也在增加。圖6顯示了汽車封裝產(chǎn)品的總體路線圖。雖然未來幾年內(nèi)仍將繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)封裝，但高級封裝正在逐漸推廣，并且越來越多地出現(xiàn)在汽車封裝產(chǎn)品路線圖中。正在使用高級封裝解決方案的產(chǎn)品包括雷達(dá)（晶片級芯片規(guī)模封裝[WLCSP]和系統(tǒng)級封裝[SiP]）、高性能CPU（高接腳數(shù)FCBGA和SiP）以及多功能模塊（SIP和嵌入式解決方案）。

圖6：高級別汽車封裝路線圖顯示先進(jìn)封裝技術(shù)的使用日益增加。

傳感器在汽車上的使用數(shù)量已大幅增加——據(jù)估計，現(xiàn)今一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車上有50多個傳感器。雖然加速計和陀螺儀等微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）更多采用標(biāo)準(zhǔn)層壓級或陶瓷級封裝，但許多其他傳感器，如油壓和油位傳感器則需要獨(dú)特的封裝解決方案。

攝像頭在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的普及，推動了陶瓷級或獨(dú)特的層壓級CIS解決方案以及晶圓級封裝（信息娛樂系統(tǒng)）的廣泛使用。

激光雷達(dá)（LIDAR）被認(rèn)為是全自動汽車的關(guān)鍵。許多IDM和設(shè)計公司都在研究固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)，

汽車企業(yè)可能需要15至20年的供應(yīng)保障，并對所有與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)提出相同的保留期限。由于產(chǎn)品變更通知（PCN）的審批過程需要長達(dá)30個月時間，因此通常情況下不允許做出變更。那么對于“零缺陷”的目標(biāo)而言，需要OSAT的各級組織機(jī)構(gòu)都具有某些更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和持續(xù)改進(jìn)的心態(tài)。

OSAT在汽車電子器件封裝和測試方面的挑戰(zhàn)可以分為五個單獨(dú)領(lǐng)域：a) 資質(zhì)與可靠性、b) 核準(zhǔn)至量產(chǎn)、c) 大規(guī)模量產(chǎn)/操作、d) 物流與資源，以及 e) 成本管理。

這需要一個利用現(xiàn)今技術(shù)和材料的全定制封裝解決方案。

汽車封裝要求也推動了高性能材料的發(fā)展，例如用于引擎蓋下較高工作溫度和大功率應(yīng)用產(chǎn)品的模具復(fù)合材料和裸片粘接材料。如圖3所示，銅夾在電源產(chǎn)品中越來越多地用作高功率和大電流應(yīng)用產(chǎn)品的互連技術(shù)。為降低成本，銅導(dǎo)線已廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)的汽車封裝。圖7顯示了UTAC在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的銅導(dǎo)線用量增長情況。我們從2015年開始裝運(yùn)銅導(dǎo)線，并從那時起已經(jīng)裝運(yùn)了超過1630億件采用銅導(dǎo)線的QFN產(chǎn)品，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

圖7：UTAC用于汽車應(yīng)用領(lǐng)域的銅導(dǎo)線互連技術(shù)封裝類型歷史裝運(yùn)量。