金價狂飆 晶片封裝廠有志一「銅」

在晶片封裝領域正掀起一片技術改革潮，可望大幅降低封裝成本與晶片價格，並催生更廉價的終端電子產品；但這波改革與炒得正熱的 3D晶片──即所謂的矽穿孔(through-silicon-vias， TSV)晶片堆疊技術──關聯性不大，而是原本以黃金(gold)為主要材料的打線接合(wirebonding)技術，突然轉向採用價格較低的銅。

多年來，打線接合一直是晶片產業所採用的主要封裝技術，並以細黃金線來連結IC元件、製作接腳；但黃金價格近年來不斷飆漲，幅度甚至已達200%，讓很多 (但不是全部)晶片廠商有了個好藉口轉換技術，紛紛改用銅線進行打線接合。據估計，採用銅線的封裝成本比採用黃金線便宜了至少三成。

基於以上理由，包括博通(Broadcom)、聯發科(MediaTek)、意法半導體(ST)與德州儀器(TI)等廠商，都悄悄提高了採用銅線接合的元件產量。而晶片封裝廠如日月光(ASE)、矽品精密(SPIL)與新科金朋(STATS ChipPAC)，也正大力推廣銅線接合製程技術。根據業界預測，光是台灣兩家封裝廠日月光與矽品精密，今年內採購的銅線接合設備，總計就超過4,000台。

至於艾克爾(Amkor Technology)等其他廠商，卻仍看到市場對黃金線接合技術的需求較高，因此對銅製程並不熱衷。目前市面上有九成的晶片仍採用金線接合技術；雖然各方預測數字不一，但黃金在晶片封裝領域正迅速失寵，有人認為到2013年，將有七成的半導體元件會改用銅線接合。

針對此一議題，打線接合設備供應大廠Kulicke & Soffa Industries Inc. (K&S)資深行銷副總裁Christian Rheault表示，與採用黃金的打線接合技術相較，銅線接合大約能減少兩到三成的整體IC封裝成本；而這接下來可望讓單晶片平均價格，呈現5%的逐步下降趨勢。


晶片封裝改用銅線接合技術，也可望催生更廉價的終端電子產品如手機、個人電腦(PC)等，但Rheault指出，這也可能產生一些負面效應──成本較低的銅線接合製程可能讓晶片產業的利潤與銷售被反咬一口，也就是說，晶片產業領域可能因此出現「結構性變化」。

「當越來越多客戶改用銅線接合，特別是消費性電子與手機市場的大廠，必然會掀起一波競爭熱潮，因為沒有人想落後。」新加坡IC封裝大廠新科金朋技術專案副總裁 Flynn Carson表示。全球最大IC封測廠日月光的北美市場資深副總裁Rich Rice則將打線接合由黃金轉換至銅製程的趨勢，比喻為扭轉市場局勢的推手。

Rice表示，黃金線接合技術並不會完全消失，但銅線接合在各主要應用領域的能見度會越來越高；他並認為銅線接合對整體晶片產業其是有利的。他進一步解釋，依據不同產品，銅線接合可降低8~15%的整體IC封裝成本，而如果晶片製造商趕搭這波技術熱潮的同時，仍將產品平均售價維持在差不多的水準，就能提升利潤空間。

但這就是爭議所在；可能會有部分投機晶片商藉由改用銅線接合技術降低產品售價，並因此引爆市場價格戰、顛覆整個IC產業。此外也許是一廂情願的想法，雖然很多都堅信晶片製造商並不會透過改用銅線接合來要求封裝廠降價；其他人則預期晶片商會想改用銅線接合來節省成本，並藉此敲詐他們的封裝代工夥伴。

黃金價格飆漲　廉價銅材料大獲青睞

回到技術層面來看，目前仍是晶片封裝主流的打線接合，最常使用的材料是鋁、銅與黃金；在某種程度上，鋁跟銅線較適用於功率元件，但考量材料產量與其阻抗、表面腐蝕度等整體性能表現，大多數元件封裝仍採用黃金線。

過去十幾年來，K&S等廠商致力將銅線推廣至主流打線接合製程，特別是金價在十年前開始不斷飆高；但銅線接合一直因為良率與材料的阻抗問題，無法躍上檯面。然而在過去的五年來，黃金價格已經漲價172%，由2005年8月時的每盎司430.9美元，來到每盎司1,244.99美元(9月9日收盤價)；相較之下，銅價格目前每盎司僅3.42美元(同樣為9月9日收盤價)。

晶片商Intersil全球營運與技術資深副總裁Sagar Pushpala表示，黃金價格每上漲100美元，就會讓整體IC封裝成本增加5%，這幾年來，該公司晶片封裝成本已經成長了30~40%。因此，業界改用銅線接合的趨勢近來有加速現象；很早就開始採用銅線接合技術的TI就表示，該公司藉此取得了競爭優勢。

以材料性能來看，相關資料顯示，銅線在室溫之下的電阻率為0.017 micro-ohm-m，同樣在室溫下，黃金線的電阻率則為0.022 micro-ohm-m，因此銅線的導電性比黃金線高出25~30%。此外銅的溫度傳導性也比金高出25%，用於晶片封裝中，散熱與省電表現也比黃金來得好。
但銅線也有以下劣勢：1. 銅的氧化溫度相對較低；2. 銅的硬度較高；3. 銅線在進行故障分析時會有一些困難；4. 銅線接合製程的良率較低。總的說來，銅線接合與黃金線、鋁線接合技術相較雖然有不少優點，但仍面臨一些待克服的技術挑戰。

不過對此新科金朋的Carson表示，其實銅線封裝技術已經趨於成熟，很多客戶也認可了該製程的可靠度、並進行量產；除了態度較為保守的汽車、伺服器與儲存設備領域的客戶，對銅線接合技術仍有一些疑慮。

在晶片封裝廠這廂，最早採用銅線技術的其實是小型分包商，包括馬來西亞業者Unisem；該公司在印尼與中國的據點都已量產銅線接合製程，並計劃持續擴充產能。此外排名全球第四大封裝代工廠的新科金朋，已在新加坡、馬來西亞、中國、韓國與泰國的據點裝設銅線接合機台；該公司新加坡據點的產量，有13~15% 是屬於銅製程(2009年底資料)。

台灣封裝業者也是銅線接合技術的擁護者。2010年資本支出規模約7億美元的日月光，也在銅線接合技術方面大筆投資；截至第二季，該公司的銅線接合機台總數為2,775台，其下半年將採購的700~750台打線設備中，也有多數將採用銅製程。在2009年銅製程佔據日月光打線接合總產能的10%以下，該數字預計在2010年達到三成，並在2013年達到七成。

另一家2010年資本支出規模預計為6.58億美元的台灣封裝大廠矽品精密，目前擁有6,199台打線接合設備，該公司計畫在第三季裝設800台新的銅線接合設備，並在第四季再加裝400~500台。

但來自美國的封裝代工廠艾克爾，對銅線接合技術的態度較為不同；儘管在官方網站上宣稱擁有4,000台支援銅製程的打線接合設備，該公司總裁暨執行長Ken Joyce在最近的分析師財報會議上卻表示，多數產品較高階的客戶還是偏好採用黃金線接合技術，會選用銅線接合的以低價、低階產品為大宗，高階產品不太多。

但日月光表示，該公司銅材料也已開始大量應用在BGA、QFP、QFM等封裝製程中，該公司採用銅封裝製程的產品，平均為128接腳，可見該技術並不是僅用於簡單的元件。新科金朋也在傳統QFN、QFP、FBGA與PBGA製程中採用銅接合技術，並表示該技術已逐漸往較複雜的應用邁進。

電子工程專輯 2010/09/21