美国建厂又遇挑战,台积电如何抉择?

来源: 半导体产业纵横 | 2023-09-25 09:51:25
在美国建封装厂,台积电比英特尔难得多。

近期,美国亚利桑那州长 Katie Hobbs 表示,台积电除了在凤凰城生产先进制程芯片,还将展开建造先进封装厂的计划,此消息引发网友热烈讨论。 

台积电在美国亚利桑那州建造晶圆厂,这被美国总统拜登称为美国制造业回归,在苹果、高通、AMD等美国大客户的期望下,该厂有望在2025年量产4nm和3nm制程芯片,然而,有一个绕不开的问题,生产出来的芯片在哪里封装呢?  

台积电工程师和前苹果员工透露,如果没有足够多的产量,这些芯片会被运送回中国台湾进行封装,因为量小的话,不值得在美国本地建设成本高昂的封装厂。不过,美国政府非常希望在其本土建设这类工厂。 

01 先进封装产能供不应求

虽然台积电目前不想在美国建封装厂,但就2023年的市场需求来看,该晶圆代工龙头先进封装产能的缺口还是比较大的,特别是在美国客户方面,苹果、高通、英伟达、AMD、特斯拉等都需要用到台积电的7nm及以下先进制程。 

以特斯拉为例,该公司超级计算机Dojo所需的计算芯片D1采用台积电先进制程和封装生产,明年在台积电投片量有望比今年加倍,达1万片12英寸晶圆,2025年下单量会持续增加。  

据悉,特斯拉的D1芯片主要采用台积电7nm制程,并结合InFO等级系统单晶圆(System-on-Wafer,SoW)先进封装InFO-SoW,不需要PCB载板,就能将相关芯片整合到散热模组上,可以加速生产进程。 

其实,比特斯拉对先进封装需求更迫切的是英伟达,该公司的H100芯片已经卖爆了,但苦于台积电封装产能不足,市场上的H100供应非常紧张。 

随着谷歌TPU、英伟达GPU和AMD的MI300全部导入生成式AI(AIGC),台积电相关芯片订单大量涌入,带动CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)封装需求暴增,野村证券预期,台积电CoWoS年化产能将从2022年的7~8万片晶圆,增至2023年的14~15万片,预估2024年将达到20万片。 

台积电总裁魏哲家表示,从2022年起,CoWoS封装需求几乎是双倍增长,2024年需求还会大增,目前,已把先进封装龙潭AP3厂部分InFO产能转至南科厂,空出来的龙潭厂加大力度扩充CoWoS产能,竹南AP6厂也将给予支持。 

因为AIGC需求突然增加,台积电接到很多订单,市场需求远大于目前产能。由于CoWoS封装毛利率高,台积电的首要任务是增加产能。 

据摩根大通估计,英伟达2023年占全球CoWoS需求量的60%,台积电约可生产180万~190万套H100芯片,此外,博通的需求量也比较大,还有亚马逊网路服务芯片Inferentia,以及赛灵思。2024年,英伟达所需的H100芯片数量将达到410万~420万套。 

除了台积电扩充CoWoS产能,其它厂商,如联电、Amkor、日月光投控也在积极加速扩增CoWoS相关产能。不过,这几家厂商的产品和服务还无法对台积电形成竞争,在先进封装方面,台积电真正的对手是英特尔和三星。 

02 竞争对手不断施压

英特尔和三星正在对台积电的先进封装市占率虎视眈眈,而且,它们的技术能力也很强,特别是英特尔。 

英特尔先进封装资深经理Mark Gardner表示,英特尔芯片制造和封装工厂分布在世界各地,而台积电大部分芯片工厂都在中国台湾,英特尔的优势在于提供安全供应链,分散地缘风险,而且,客户可委托英特尔进行封装或测试,但使用其它厂商的晶圆代工服务,这对客户来说更加灵活,有更多的选择空间。 

对标台积电的3D Fabric封装平台,英特尔推出了3D Foveros Direct封装技术,利用3D堆栈整合不同的逻辑芯片,可将芯片拆分成小芯片(Chiplet)。 

英特尔从2017年开始导入EMIB(2.5D)封装,第一代Foveros(3D)封装在2019年推出,当时凸点间距为50微米。今年下半年推出的Meteor Lake处理器,将采用第二代Foveros封装技术,凸点间距进一步缩小为36微米。 

英特尔并未透露现阶段3D Foveros封装总产能,仅强调除了在美国俄勒冈州与新墨西哥州之外,在马来西亚槟城新厂也将有相关产能建设,这三个地点的3D封装产能合计将于2025年增至目前的4倍。 

9月18日,英特尔推出了业界首款用于先进封装的玻璃基板。英特尔称,该基板材料可解决有机材质基板用于芯片封装产生的翘曲问题,突破了传统基板的限制,让半导体封装晶体管数量极限最大化,同时更省电、更具散热优势。英特尔封装与测试总监Pooya Tadayon指出,玻璃基板有很大优势,可以降低连接线路的间距,适用于大尺寸封装。 

这一成果是英特尔加强美国晶圆厂先进封装能力的举措,也是进攻台积电的新思路。 

除了在美国发展先进封装技术,英特尔还在亚洲争夺台积电的势力范围,在马来西亚槟城,英特尔正在建设先进封测厂。 

在槟城厂区,英特尔刚发布的Meteor Lake处理器,已经在产线上进行组装测试了。目前,英特尔量产的最先进制程技术为Intel 7,而Meteor Lake采用Intel 4制程生产,导入了EUV光刻技术,该公司还在推进Intel 3制程,预计今年下半年可试产,Intel 20A和18A制程则规划在2024年陆续进入试产阶段。 

英特尔在马来西亚槟城新建封装厂,是为了强化2.5D/3D封装布局,外界预期,英特尔结合先进制程与先进封装,“一条龙生产”实力大增,在晶圆代工领域更具竞争力,对台积电和三星形成了更大压力。 

英特尔副总裁Robin Martin强调,未来,槟城新厂将会成为英特尔最大的3D Foveros先进封装厂。 

英特尔布局2.5D/3D先进封装,除了要强化自身处理器等产品实力之外,也是争取更多晶圆代工客户订单的一大卖点。 

提到晶圆代工,英特尔CEO基辛格盛赞台积电在该领域居领先地位,英特尔要做到的是超越自己、尽可能强大。在谈到封装时,基辛格显得非常自信,他认为,在先进封装领域,台积电和英特尔各有千秋,英特尔对自家的先进封装很有信心,能满足自身推出的高端产品需求,且产能足以支持其它晶圆代工厂需求,不排除将来为台积电亚利桑那州晶圆厂提供先进封装服务。 

以上谈的是英特尔,台积电的另一大竞争对手三星也正在这方面发力。前几年,三星推出了以I-cube、X-Cube为代表的先进封装技术,在此基础上,该公司还在积蓄力量。 

据韩国媒体报道,为了争夺台积电AI芯片先进封装市场,三星DS部门先进封装(AVP)团队开始研发将FO-PLP技术用于2.5D封装,它可将SoC和HBM整合到硅中介层,构成完整芯片。 

与台积电CoWoS封装不同,三星的FO-PLP是在方形基板上封装,CoWoS是圆形基板,FO-PLP 2.5D不会有边缘基板损耗问题,生产率较高,但因为要将芯片由晶圆移植到方形基板上,作业程序比较复杂。 

三星想通过FO-PLP追上台积电,因此,三星DS部门在2019年从三星电机收购FO-PLP后,就开始研究将FO-PLP应用于智能手表和智能手机处理器,目前已用于功率器件封装。 

韩国半导体业界人士认为,三星提出了一站式方案(Turn-key)吸引客户,为AI芯片设计厂商(如英伟达和AMD)代工生产芯片,同时整合自家的HBM和先进封装业务,可进一步提升其先进封装竞争力。 

凭借自家先进封装和存储器业务优势,三星还在争夺高性能计算AI芯片存储封装订单,特别是英伟达和AMD,是三星的主要争取对象,同时,这两家AI芯片大厂也是台积电的主要客户。 

近期,有消息人士透露,三星准备向AMD提供高带宽内存 (HBM) 芯片和交钥匙封装服务。HBM是一种高性能存储器,与传统DRAM相比,可显著提高数据处理速度。 

最近,三星第四代HBM芯片HBM3 和封装服务通过了 AMD 的质量测试,AMD 计划将这些芯片和封装服务用于其 Instinct MI300X 加速器(整合了CPU、GPU和HBM3)。 

据悉,AMD曾考虑使用台积电的封装服务,但由于台积电提供的封装无法满足其需求,因此改变了计划。   

除了AMD,三星还在争取英伟达的AI芯片封装订单。 

据消息人士透露,三星和英伟达正在对HBM3芯片进行技术验证,并为后者的GPU提供封装服务,一旦工作完成,预计三星将分得英伟达H100的封装订单,同时为该处理器提供HBM3芯片。据了解,两家公司签署了一项服务和供应协议。 

英伟达一直依赖台积电的封装服务,而随着台积电先进封装产能供不应求,预计会有更多芯片大客户将目光投向三星。 

三星计划在今年下半年推出第五代HBM芯片HBM3P,并在2024年将目前的HBM产能提高一倍以上,并提供相应的封装服务。 

03 台积电会在美国建封装厂吗?

面对强劲的市场需求,特别是美国客户对先进封装的需求最多,以及自家产能不足,还有一点很重要,那就是竞争对手持续施压。在这些因素影响下,台积电是否会在美国建封装厂呢? 

目前来看,台积电是不想建的,主要原因是投入产出不划算。不过,就目前高性能计算,特别是AI芯片的发展情况而言,未来这部分市场还会大幅增长,且相关大客户都聚集在美国,建设封装厂是有产业基础保障的。 

还有一点很重要,那就是美国政府的态度会起关键作用,鉴于台积电在美国建4nm制程晶圆厂的经历,2020年也认为在那里建晶圆厂不划算,但后来还是建了,显然,胳膊拧不过大腿,以此推算,未来两三年内,台积电在美国建封装厂的可能性很大。 

针对美国政府“引诱”台积电在亚利桑那州建封装厂的消息,很多网友纷纷表示不满,认为“美国为了自己利益强逼台积电设厂”,“美国就是要把台积电一条龙全搬走啊,张忠谋打造的台积电在有生之年毁在政治,应该挺难过的”,“台积电美国厂未来应该会变成赔钱货”。SemiAnalysis首席分析师Dylan Patel直言:“这凸显台积电美国厂沦为无用设施,只是个摆设”。 

未来,如果台积电在美国建封装厂的话,争取政府补贴也将是一件很麻烦的事,因为在美国520亿美元的芯片法案基金中,只有约25亿美元用于封装厂建设,而这么一点儿钱还要被多家厂商瓜分,留给台积电的不会太多,出于成本考虑,要争取更多政府补贴,台积电还要做不少额外工作。 

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:畅秋。


关键词台积电 

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