OSAT視角：汽車(chē)半導體市場(chǎng)及其制造所面臨的挑戰

汽車(chē)半導體市場(chǎng)在過(guò)去十年間保持連續增長(cháng)，絲毫沒(méi)有放緩的跡象。

汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展主要源于管控汽車(chē)的幾乎各個(gè)方面都采用了電子器件，而安全標準的提升以及從半自動(dòng)到全自動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，也使汽車(chē)行業(yè)的增長(cháng)更加穩固。圖1顯示，盡管2016年至2022年的汽車(chē)產(chǎn)量預計將增長(cháng)13%，但汽車(chē)電子器件預計同期將從1990億美元增長(cháng)至2890億美元，增幅達45%。圖1同時(shí)還顯示，每輛車(chē)的電子器件價(jià)格以“曲棍球棒曲線(xiàn)”形式增長(cháng)——從2016年的每輛車(chē)2000多美元增長(cháng)到2022年的每輛車(chē)2700美元。

圖1：2016-2022年的汽車(chē)電子器件市場(chǎng)。來(lái)源：Prismark，2018年10月

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

圖2：汽車(chē)駕駛自動(dòng)化各等級中的雷達、攝像頭和激光雷達模塊數量。來(lái)源：? Infineon Technologies AG.

以上提到的所有電子器件增長(cháng)領(lǐng)域都在使用各種半導體產(chǎn)品。表1顯示了2013年至2018年半導體終端應用收入的增長(cháng)，以及2019年至2023年的增長(cháng)預測。在過(guò)去五年（2013年-2018年），汽車(chē)市場(chǎng)的年均復合增長(cháng)率（CAGR）為7.3%，而在接下來(lái)的五年，即2019年至2023年，預計還將增長(cháng)6.3%，使之成為增長(cháng)率最高的半導體細分市場(chǎng)。

表1：2013-2022財年不同終端應用領(lǐng)域的半導體產(chǎn)品收入。來(lái)源：Prismark

汽車(chē)供應鏈和市場(chǎng)主要參與者

表2總結了汽車(chē)半導體供應鏈以及各條供應鏈行業(yè)中的主要參與者。

表2：汽車(chē)半導體供應鏈和主要參與者。

與大多數其他市場(chǎng)和行業(yè)不同，半導體集成設備制造商（IDM）通常不直接向汽車(chē)原始設備制造商（OEM）提供其產(chǎn)品。

相反，他們將自己的產(chǎn)品供應給另一組被稱(chēng)為“一級”供應商的公司，如歐洲的博世（Bosch）和大陸（Continental），日本的電裝（Denso）和愛(ài)信（Aisin）或韓國的摩比斯（Mobis），這些一級供應商為汽車(chē)OEM生產(chǎn)各種電子和傳感器模塊與器件。例如，一級供應商生產(chǎn)制動(dòng)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。半導體器件是由一級供應商制造的這些模塊中必不可少的部分。大多數頂尖的半導體集成器件制造商（IDM），如NXP、瑞薩（Renesas）或亞德諾（Analog Devices），都擁有自己的晶圓廠(chǎng)、封裝和測試設施。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(huì )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(chē)應用領(lǐng)域的嚴格質(zhì)量要求?；蛟S出于同樣的原因，只有少數外包半導體和測試供應商（OSATS）參與到汽車(chē)電子器件封裝和測試市場(chǎng)。提供汽車(chē)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(chǎng)聯(lián)合占有率高達95% ^[2]。正如后文所述，汽車(chē)電子器件封裝領(lǐng)域的挑戰不言而喻，進(jìn)入行業(yè)的門(mén)檻相對較高——擁有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓的制造人員應在工作中秉持“持續改進(jìn)，實(shí)現零缺陷”的理念。此外，該行業(yè)可能最長(cháng)需要四年時(shí)間，消耗大量有價(jià)值的資源并經(jīng)歷千辛萬(wàn)苦才能獲得回報，實(shí)現盈利。必須指出的是，一些無(wú)晶圓廠(chǎng)設計公司（例如高通）也向一級汽車(chē)供應商提供半導體元件。

當然，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(chē)封裝技術(shù)路線(xiàn)圖^[3]。

汽車(chē)應用領(lǐng)域的封裝技術(shù)

在封裝類(lèi)型方面，除了傳統的導線(xiàn)架基底解決方案外，汽車(chē)一級供應商和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(dòng)這種趨勢的主要因素。例如，8位汽車(chē)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)轉變?yōu)榫哂懈⊥庑我蛩睾透统杀镜姆叫伪馄綗o(wú)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(chē)微控制器單元（MCU）、模擬和電源產(chǎn)品的高級路線(xiàn)圖^[3]。

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

圖4：顯示大量使用導線(xiàn)架基底封裝的多種汽車(chē)應用模塊示例。來(lái)源：*TechSearch International； **NVIDIA

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

汽車(chē)廠(chǎng)商傳統上習慣堅持使用經(jīng)過(guò)可靠性驗證的標準導線(xiàn)架。由于半導體在汽車(chē)上的廣泛應用，先進(jìn)封裝解決方案的使用也在增加。圖6顯示了汽車(chē)封裝產(chǎn)品的總體路線(xiàn)圖。雖然未來(lái)幾年內仍將繼續使用標準封裝，但高級封裝正在逐漸推廣，并且越來(lái)越多地出現在汽車(chē)封裝產(chǎn)品路線(xiàn)圖中。正在使用高級封裝解決方案的產(chǎn)品包括雷達（晶片級芯片規模封裝[WLCSP]和系統級封裝[SiP]）、高性能CPU（高接腳數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(chē)封裝路線(xiàn)圖顯示先進(jìn)封裝技術(shù)的使用日益增加。

傳感器在汽車(chē)上的使用數量已大幅增加——據估計，現今一輛標準汽車(chē)上有50多個(gè)傳感器。雖然加速計和陀螺儀等微機電系統（MEMS）更多采用標準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特的封裝解決方案。

攝像頭在汽車(chē)應用領(lǐng)域的普及，推動(dòng)了陶瓷級或獨特的層壓級CIS解決方案以及晶圓級封裝（信息娛樂(lè )系統）的廣泛使用。

激光雷達（LIDAR）被認為是全自動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵。許多IDM和設計公司都在研究固態(tài)激光雷達技術(shù)，

汽車(chē)企業(yè)可能需要15至20年的供應保障，并對所有與生產(chǎn)相關(guān)的數據提出相同的保留期限。由于產(chǎn)品變更通知（PCN）的審批過(guò)程需要長(cháng)達30個(gè)月時(shí)間，因此通常情況下不允許做出變更。那么對于“零缺陷”的目標而言，需要OSAT的各級組織機構都具有某些更高的質(zhì)量標準和持續改進(jìn)的心態(tài)。

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

這需要一個(gè)利用現今技術(shù)和材料的全定制封裝解決方案。

汽車(chē)封裝要求也推動(dòng)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用產(chǎn)品的模具復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(lái)越多地用作高功率和大電流應用產(chǎn)品的互連技術(shù)。為降低成本，銅導線(xiàn)已廣泛用于標準的汽車(chē)封裝。圖7顯示了UTAC在汽車(chē)應用領(lǐng)域的銅導線(xiàn)用量增長(cháng)情況。我們從2015年開(kāi)始裝運銅導線(xiàn)，并從那時(shí)起已經(jīng)裝運了超過(guò)1630億件采用銅導線(xiàn)的QFN產(chǎn)品，沒(méi)有出現任何質(zhì)量問(wèn)題。

圖7：UTAC用于汽車(chē)應用領(lǐng)域的銅導線(xiàn)互連技術(shù)封裝類(lèi)型歷史裝運量。