先進封裝:突破「記憶體瓶頸」的解方?

作者 : Yole Développement

中國的記憶體量產、覆晶封裝DRAM的成長,以及3D堆疊技術的興起,正為封裝業者開啟巨大機會…

在強勁的DRAM和NAND需求推動下,全球記憶體封裝市場將在未來5年持續成長。Yole預計,全球記憶體封裝市場將以7%的年複合成長率(CAGR20-26)成長,到2026年時可望達到198億美元的市場規模。

在行動性、雲端運算、人工智慧(AI)和物聯網(IoT)等重要趨勢的推動下,記憶體在以資料為中心的這個時代中成為極具關鍵的市場。所有這些推動力量正持續推升所謂的「數據流量爆炸」(data-generation explosion),並塑造未來幾年記憶體需求的強勁成長。

記憶體技術主力:NANDDRAM

市場研究與策略諮詢公司Yole Développement (Yole)日前發表最新《記憶體封裝》(Memory Packaging)技術與市場報告。NAND和DRAM是記憶體技術主力,合計佔整體記憶體市場營收的96%。Yole並預計,到2026年,NAND和DRAM營收預計將以 9% (NAND)和 15% (DRAM) 的 CAGR20-26成長,在2026年可望分別達到930和1,550億的市場規模。

記憶體封裝市場也呈現與獨立記憶體市場相同的發展趨勢,因而也將受益於記憶體需求的強勁長期成長,以及正持續晶圓廠產能擴張。Yole記憶體技術與市場資深分析師Simone Bertolazzi預計,「全球記憶體晶圓總產量將從2020年的3,550萬片增加到2026年約5,000萬片,2020年至2026年期間的CAGR為 6%,同期間記憶體封裝量將以5%的CAGR成長。」

2020 年全球記憶體封裝市場總值為 131 億美元,相當於獨立記憶體市場的 10%左右。Yole半導體與軟體部門 DRAM 與記憶體研究副總裁Mike Howard並補充道:「以封裝營收來看,DRAM 是 2020 年主要的記憶體技術,佔整體市場營收的63%,其中,「打線鍵合」(wire bond)是針對行動應用的主要封裝方法。」

記憶體需求拉抬封裝市場成長

打線鍵合(包括離散式和多晶片)將在2026年主導記憶體封裝市場,緊隨其後的是覆晶(flip-chip)封裝技術。其中,覆晶封裝將持續在伺服器/PC DRAM 應用中擴展。

過去五年來,PC和伺服器DRAM封裝已逐步從打線鍵合遷移至覆晶封裝。三星(Samsung)和SK海力士(SK Hynix)已將大部份DRAM封裝產線轉換為覆晶封裝;美光科技(Micron)並未像其韓國競爭對手那樣儘早開始轉換過程,但也一直在準備自家的覆晶封裝產線。採用短互連覆晶技術的封裝方式,對於充份發揮DDR5和後續DRAM世代的潛力至關重要。

「晶圓級晶片規模封裝」(WLCSP)則日益被用於需要小尺寸的消費類/穿戴應用。它存在於各種低密度記憶體元件中,包括NOR Flash、EEPROM和SLC NAND。預計其營收將以14%的CAGR20-26 成長,但到 2026 年,其市值將僅佔1%。

先進封裝可望突破「記憶體瓶頸」

隨著摩爾定律(Moore’s Law)在現實發展中的持續放緩以及新型先進封裝技術的興起,後段製程變得越來越重要,有多家半導體公司現正透過後段而非前段製程提高其IC產品的性能、緊湊性和功能數量。透過新型堆疊/鍵合解決方案實現的異質整合(heterogeneous integration)技術和小晶片(chiplet)架構,經由邏輯和記憶體模組的緊密整合,已經成為提高運算系統性能不可或缺的手段。

記憶體封裝技術正迅速發展中,以滿足資料密集型應用不斷成長的性能需求,目前此類應用的發展因所謂「記憶體牆」(memory wall)而受阻——這是一種與記憶體和處理單元之間資料傳輸相關的頻寬限制。

「混合鍵合」實現下一代高性能運算架構

為了因應這一挑戰,高頻寬記憶體(HBM)正走向商業化,採用以矽穿孔(TSV)實現DRAM晶片的 3D 堆疊,以及熱壓鍵合這兩項技術。

當前,所有的記憶體製造商都在進行混合型鍵合技術研發。長江存儲(YMTC)利用其Xtacking 3D NAND技術,成為第一家將混合鍵合用於NAND的業者。然而,採用晶圓對晶圓堆疊的方法需要大規模轉換生產線,這對於已經擁有大規模產能的公司來說並不適合。因此,分析師們預計現有廠商將繼續使用其單片 3D NAND 解決方案,直到滿足所有現有堆疊方式需求為止。

業界正在對混合鍵合進行廣泛探索,以期用於下一代HBM元件,Yole 記憶體團隊預計在下一個五年到來之前將可在市場首次亮相。然而,目前看來仍有重大技術挑戰需要解決,才能實現大規模量產所需的高良率。

中國供應商加速記憶體製造  為OSAT帶來龐大商機

相較於獨立記憶體市場價格波動劇烈,記憶體封裝市場更加穩定,因為大部份業務都是由IDM在內部進行的。Yole估計2020年約68%的記憶體封裝營收都來自於IDM業者,其餘32%則來自 OSAT。

中國崛起的記憶體IDM——長江存儲(YMTC)和長鑫存儲(CXNT),正分別加速提高其NAND和DRAM晶圓產量。然而,這兩家公司由於沒有完善的內部封裝能力,必須將所有封裝外包給 OSAT,這對 OSAT 來說是一個獨特的商機,尤其是在中國。Yole估計來自中國記憶體製造商的OSAT營收機會可望從2020年不到 1 億美元快速成長,到2026年預計會有11億美元(CAGR20-26 ~55%)的市場規模。

中國OSAT將率先抓住這個機會,江蘇長電科技(JCET)、通富微電子(TongFu)以及華天科技(HT Tech)等中國三大廠商正蓄勢待發。兩種相反的趨勢正影響著記憶體封裝業務:一方面,中國記憶體產量的增加正加速OSAT的營收成長;另一方面,IDM正在增加其內部後端能力——特別是對於先進封裝流程——減少對OSAT的外包。

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