半导体制造技术如何缓解电子元器件过时难题？

如果把芯片看成一幅完整的“拼图”画，这幅“拼图”画由许多小“拼图块”构成，每个小“拼图块”都至关重要，一旦出现问题都可能会导致整个产品过时。这些“拼图块”多种多样， 涵盖了从业务收入到半导体产品的各个子部分，比如代工技术、封装方式、基板或引线框架的选择、测试平台及设计资源等。

此外，这些“拼图块”还包括半导体公司的整体战略方向或市场焦点。随着时间的推移，半导体公司的市场焦点可能会发生改变，但那些长期合作的系统公司(如客户)，他们的产品重点可能并不会轻易改变。因此，在评估产品选择所带来的长期供应风险时，我们必须意识到，原始组件制造商(OCM)提供的零件编号信息，其涵盖的范围远超过了商用工具所提供的物料清单(BOM)健康报告所能涉及的内容。

大多数传统半导体产品都采用引线框架封装形式，如DIP、PLCC、QFP和PGA等。如今的半导体市场已不再将引线框架封装作为主要的产量驱动因素，而是逐渐转向基于基板的组装方式。

要深入理解引线框架组件逐渐消失原因，我们需要从组装基地的历史、利润率的变化，以及行业发展趋势等多方面进行综合考察。

早在20世纪80年代，离岸外包的潮流就已悄然兴起。当时，台积电尚未凭借卓越的代工技术在半导体行业崭露头角。海外组装主要受成本因素驱动，同时也受到环境限制的影响，因为当时的组装工艺不像现在这样清洁。随着行业竞争日益激烈，众多引线框架供应商在竞争中逐渐被淘汰，只有那些规模最大的供应商才能勉强维持盈利。如今，引线框架的利润率已经跌至个位数，而大多数半导体公司的利润率却接近50%。

20世纪90年代和21世纪初，在高速IO(输入/输出)和BGA(焊球阵列封装)组装的推动下，引线框架组件的产量达到历史顶峰。不过，随着高速IO标准(如PCI-e、多千兆以太网、SATA、SAS等)的相继问世，大家发现传统的引线键合技术成为限制器件性能的关键因素——高速IO标准和其他新标准都设立了明确的性能路线图，但引线键合技术却难以达到这些性能要求。

同时，随着器件速度的大幅提升，其功耗也相应在增加。引线键合将电力从芯片外部分配到核心，但对于20世纪90年代开始普及的高性能产品来说，仅从芯片外部供电无法满足日益增长的电力需求。

为了解决这一难题，倒装芯片和BGA封装基板应运而生，这些技术通过直接向核心供电，消除了对引线键合的依赖，从而有效缓解了电力分配的挑战。这一方案不仅提升了电力传输效率，还实现了更好的信号完整性，使得器件能够符合高速SerDes（串行器/解串器）标准的要求。

进入到21世纪初，随着引线框架组件的产量逐渐减少，一种新型的低引脚数封装方式——QFN封装开始崭露头角。QFN封装是一种基于基板的组装方式，使用引线键合技术将芯片连接到引线。这种封装方式的出现，标志着半导体封装技术正朝着更高效、更先进的方向发展。

时至今日，基板组件的产量已远超引线框架组件。此前，修剪和成型工具是封装厂成本支出最大的引线框架加工设备。随着引线框架组件产量缩减，基于基板的组装方式成为主流。封装厂从引线框架组装转换为基板组装，需要换修剪和成型工具，而它们的利润率只有个位数，该盈利能力难以支撑其彻底放弃引线框架组件。

业界之所以选择摒弃引线框架组件，原因在于技术性能要求零线键合，且继续生产低产量的引线框架组件成本过高。这不仅是出于经济因素的考量，更是技术进步的必然结果。

一旦组装方案得以确定，测试方案也要紧随其后进行调整。我们要紧密关注测试技术中的相似发展趋势，以确保平稳过渡到基板组装测试。如果基板组装测试中存在不衔接的问题，可能会导致技术落后问题的出现。目前，市场上最新的生产测试设备主要服务于基于基板的组装，而所有旨在减少批量生产成本的措施，也主要围绕着基板组件来展开。

但值得注意的是，随着产量的逐渐减少，OSAT(外包半导体封装和测试)工厂在针对小批量生产进行测试时面临的挑战日益增大。尤其是在那些以引线框架为基础的产品中，这种挑战尤为明显。

在晶圆供应充足的情况下，如果一家公司通过仅收购现有的OSAT供应链，来为客户提供同一款半导体产品，这种情况能够长期持续吗？

罗彻斯特电子公司认为这种方案只是短期的权宜之计。回顾前文提到的“拼图块”，它包含了从引线框架、组装到测试的全部环节。在OSAT供应链中，一旦某个环节在经济上显得不再可行，那么这个环节就很可能被淘汰。这是因为任何支持OSAT供应链管理的公司，都无法推动产品的大规模生产，这增加了技术过时的风险。因此，OSAT厂商无法像原始组件制造商(OCM)那样，利用相同水平的产品延续性。短期内，OSAT供应链管理或许能够维持产品的生产，但从长远来看，这种做法并不可持续。

与授权的半导体制造商合作可以有效降低组件过时或停产带来的风险。当某个元器件停产时，获得许可的制造商能够继续生产这些不再由OCM供应的器件。此时，OCM会将剩余的晶圆、裸芯、组装流程，以及原始的测试知识产权(IP)转移给授权制造商。这意味着，即便是之前已经停产的元器件，现在也能被重新制造出来，而且完全符合原始的规格要求。更为便利的是，这种合作方式无需进行额外的资格认证或软件更改，从而大大简化了生产流程。

本文翻译自《国际电子商情》姊妹平台EPSNews，原文标题： Easing Obsolescence: Studying the IC-Making Puzzle