解析台湾半导体巨擘(二)──2016 关键年,台积电要靠10nm决胜

面对SamsungLSI在先进制程技术上步步进逼,台积电为重新取回在foundry产业的制程领先地位,一改以往研发单位一个制程(technologynode)完成,移交给制造部门,再开发下一个制程的流程,直接用两个团队平行研发。
解析台湾半导体巨擘(二)──2016 关键年,台积电要靠10nm决胜

   编按:资深前分析师Richard从财务面、技术面、竞争力分析等角度深度解析台积电,科技新报取得独家授权,4篇专文报导,带你了解这间台湾举足轻重的半导体巨擘。前篇已分析了台积电的财务面,这篇来讲述它的技术面。

  10nm制程于end-2016三强对决

  面对SamsungLSI在先进制程技术上步步进逼,台积电为重新取回在foundry产业的制程领先地位,一改以往研发单位一个制程(technologynode)完成,移交给制造部门,再开发下一个制程的流程,直接用两个团队平行研发,同时开发10nm和7nm制程,而不是等10nm做好再做7nm。这也是台积电宣称,从16nm到10nm要花将近两年,但是从10nm到7nm预计只要花5季。目前进度,10nm预计end-2016量产,early-2017waferout。

  台积电研发中的10nm制程技术,和16nmFinFET+比较,在同样耗电之下,10nm制造的芯片产品速度快20%,在同样速度之下,耗电少40%,gatedensity则是16nmFinFET+的2.1X。预计4Q15将验证制程技术(technologyqualification),1Q16~2Q16客户产品tapeout,Late-4Q16量产(或Early-1Q17初)、1Q17出货。

  虽然目前台积电、SamsungLSI和英特尔3家厂商的10nm都预计在end-2016量产,但英特尔可能于10nm导入新的all-aroundgate,台积电和SamsungLSI还是用3DFinFET,如果3家公司都没有延误,顺利在end-2016量产10nm的话,英特尔的技术还是领先一步。

解析台湾半导体巨擘(二)──2016 关键年,台积电要靠10nm决胜

  10nm产业界看来,会是一个很大的制程世代(technologynode),无论是生命周期或产品数量,都会是一个重要的世代,因为:

  从技术发展看,10nm的cost和performance的进步,比22/20nm到14/16nm更大。

  从28nm以来,costpertransistor首度于10nm开始下降。

  LAMResearch预测到end-2018,foundry产业的10nm产能会成长到140~150K/m。可以想见,10nm将会是一个非常重要的战争,也会是台积电和SamsungLSI的第一次“正面”、“同时”、“基础接近”的一次大对决,因为:

  45nm到32/28nm,SamsungLSI和Apple互利的结合,台积电没有真正加入竞争,20nm台积电一出手就全拿AppleAP订单,但Samsung放弃22/20nm(只有做自家产品)直接跳到14nm又打败台积电16nm(至少在时间上),这几个世代,比较像是商业策略运用,不像正面对决。

  首度,台积电和SamsungLSI在下一代10nm制程技术,量产时间类似(end-2016),技术方向也类似,让客户可以好好比较,不像以前,SamsungLSI主力用45nm时台积电用40nmhalfnode,Samsung量产32nm时台积电用28nmhalfnode(台积电的32nm只有研发没有量产),SamsungLSI的14nm和台积电的16nm规格也有差异,不好比较。还有HKMG或SiO2、gatelast或gatefirst之差异,让客户有长远技术走向的不同考量。到了10nm制程世代,则是直接硬碰硬的竞争1.cost、2.performance、3.power(漏电)、4.yield。

  台积电7nm制程的技术抉择

  台积电的7nm制程技术重点,是选择FinFET下一代新的电晶体结构、以及在不使用EUV曝光之下,如何让浸润式微影多重曝光可以顺利推进到7nm。相对以前是一个制程接着一个制程的研发,这次台积电在研发10nm新制程的同时,也同步启动研发下一代的7nm制程技术,预计1Q17进行制程验证,7nm将高度相容于10nm的技术成果和制程设备,90%的10nm设备可以继续用在7nm。并可以利用10nm学习到的制程能力,快速提升良率。

  台积电的7nm将不会大量使用EUV设备,但EUV会从7nm开始小量投入研发生产,而大量使用在5nm制程。台积电的7nm因为技术还没有确定,还不知道performance、pwoer、density相对10nm的进步程度。台积电认为相对于10nm是一个相对比较短node,而7nm和16nm一样,属于生命周期比较长的technologynode。

  InFO技术让台积电取得100%A10订单,长期将改变封装产业生态

  台积电的晶圆级封装(WaferLevelPackage,WLP)技术原本发展的是CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)技术,因良率和材料成本太贵,只有用在少数高端GPU和FPGA产品,其后发展的以业界Fan-Out封装技术为基础的InFO(IntegratedFan-Out)技术,在成本和良率上,则取得了重大成功,和FlipChipBGA/CSP比较,InFO优点如下:

  可用在高pincount的复杂芯片。

  用封胶面板(MoldingPanel)或称为重构晶圆(ReconstitutedWafer)取代传统FlipChip使用的载板(substrate),成本便宜,而且

  厚度减少超过20%。

  提高芯片performance20%。

  散热效果多10%

  台积电似乎已经克服了InFO各种困难的良率问题,为先进AP提供一个更薄的formfactor、更便宜、良好可靠度的晶圆级封装技术方案。目前看起来台积电的InFO技术已经开发完成,并通过Apple的验证,正在龙潭封装厂积极建置产能中,第一代InFO预计2Q16量产,应该会配合16nmAppleA10订单量产,预计4Q16可贡献US$100M营收。

  虽然营收贡献比例不高,但可成为10nm竞争AppleA10AP的加分因素,甚至因为台积电InFO和SamsungLSI的类似封装技术完全不同,用同样的die做出来的芯片(chip)formfactor不同,除非在手机内预留空间,否则A10芯片将无法分给两家不同的封装技术来生产,但既然用InFO目的就是将芯片减薄,在机构设计上当然会充分利用减薄后的空间,将无法使用SamsungLSI生产的不同厚度的芯片,因此也就无法像A9一样分给台积电和SamsungLSI两家共同生产。因为InFO技术,AppleA10可能从两家供应商,又改回选择台积电成为独家供应商,果真发生的话,InFO带来效益则非常大,不只是封装本身US$100M营收而已,还让台积电变成A10独家供应商。

  如果2016年Apple使用台积电InFO成功,2017年之后,其他客户如Qualcomm和MTK势必跟进,InFO产能需求大增,客户也会要求有secondsource,研判台积电不排除将InFO技术授权给专业封装厂使用,毕竟台积电的核心业务是晶圆制造,不是封装。长期来看,对ICSubstrate产业影响很大,尤其是做手机用的FlipChipCSP厂商,其次是FlipChipBGA厂商,封装厂多有发展自己的晶圆级封装技术,或可取得InFO授权,影响比较小。2016年马上受影响的是Apple的AP载板供应商Ibiden和SEMCO。

  台积电正在开发第二代InFO技术,将配合10nm和7nm制程技术的进度量产。
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