一個「小媳婦部門」為何能讓台積電擊敗三星、獨吃蘋果?

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 22 日 12:00 | 分類 晶片 , 財經 , 零組件 follow us in feedly

2017 年 11 月 21 日上午,台積電董事長張忠謀出現在總統府。他很難得坐在台下當配角,看著部屬、研發副總余振華從總統蔡英文手中領獎,邊鼓掌。



這是我國科學領域最高榮耀,兩年頒發一次的總統科學獎。過去得獎者都是中研院院士。

張忠謀不但推薦余振華角逐,得獎後,還親自道賀,讓余振華又驚又喜。

結束後,張忠謀也不疾不徐對現場媒體詳述部屬功績。余振華得獎,靠的是他潛心研發兩個先進封裝技術──InFO(整合扇出型封裝)跟 CoWoS,並指著一旁記者手中的 iPhone 說,「這個就有 InFO,從 iPhone 7 就開始了,現在繼續在用,iPhone 8、iPhone X,以後別的手機也會開始用這個技術。」

贏在 30% 厚度,讓台積電連吃三代蘋果

早年,蘋果 iPhone 處理器一直是三星的禁臠。但台積電卻能從 A11 開始,接連獨拿兩代 iPhone 處理器訂單,讓業績與股價持續翻紅。

關鍵之一,就是余振華領導的「整合連結與封裝」部門,開發的全新封裝技術 InFO,能讓晶片與晶片之間直接連結,減少厚度,騰出寶貴的手機空間給電池或其他零件。

余振華解釋,手機處理器封裝後的厚度,過去可厚達 1.3、1.4 公厘。「我們第一代 InFO 就小於 1 公厘,」余振華說。也就是減低 30% 厚度。

「他讓台積電連拿三代蘋果訂單,」與余振華熟識的前任半導體協會理事長、鈺創科技董事長盧超群說。

時間回到 2011 年的台積電第三季法說。當時,張忠謀毫無預兆擲出震撼彈──台積電要進軍封裝領域。

第一個產品,叫做「CoWoS」(Chip on Wafer on Substrate)。意思是將邏輯晶片和 DRAM 放在矽中介層(interposer)上,然後封裝在基板上。

他提到,「靠著這個技術,我們的商業模式將是提供全套服務,我們打算做整顆晶片!」

這消息馬上轟傳全球半導體業。

梳著西裝頭,外表看起來像公務員的余振華,也從那時開始密集出現在國內外各大技術研討會,大力推銷這個自己發明、命名的新技術。

當時《天下》記者也對這位處長印象深刻,因為他侃侃而談、甚至舌戰群雄的模樣,與一般台積電人的低調風格大不相同。

晶圓代工龍頭宣告跨入下游,市場登時對封測專業廠的前景打上問號。

日月光、矽品只好到處消毒,說 CoWoS 這技術只能用在「極少數」特定高階產品,影響有限。

余振華會毫不客氣的嗆回去,「以後所有高階產品都會用到,市場很大。」

封測界的不滿逐漸累積。終於在一場技術研討會爆發。

一位矽品研發主管在余振華演講後發難,「你的意思是說我們以後都沒飯吃了,不用做事了?」讓大會主持人趕緊出來打圓場。

不久之後,余振華突然在公開場合銷聲匿跡。「我們想說他怎麼消失了,後來就聽說,是張忠謀出來,要余振華低調一點, 」一位不願具名的封測廠大廠主管說。

當時余振華的直屬上司、前台積電共同營運長蔣尚義接受《天下》專訪,解釋台積電進入封測領域的來龍去脈。

原來,2009 年,張忠謀回任執行長,並請已退休的蔣尚義重新掌舵研發。當時最主要任務之一,就是開發所謂的「先進封裝技術」。

「因為摩爾定律已經開始慢下來,從整個電子系統面來看,在電路板和封裝上,還有很大的改進空間,」他說。

過去幾十年,摩爾定律的耀眼光芒,讓整個電子系統其他部分的進步都顯得不起眼。封裝產業的發展重點也因此移到降低成本,已許久沒有重大技術突破。例如,業界主流的高階技術──覆晶,是 50 年前就開發的技術。

張忠謀大力支持,撥了 400 個研發工程師給余振華,他也不負眾望,兩、三年後順利開發出 CoWoS 技術。

但直到開始量產,真正下單的主要客戶只有一家──可程式邏輯閘陣列(FPGA)製造商賽靈思(Xilinx)。

此時,連在台積電輩分極高的「蔣爸」,都感受到內部壓力。「(好像)某人誇下海口,要了大量資源,做了個沒什麼用的東西,」他回憶。

衝衝衝,從三星手上搶下蘋果肥單

能否奪下 iPhone 處理器訂單尤其是關鍵。

這個舉世第一肥單,長年由三星獨攬。例如 2013 年量產,用於 iPhone 5s 的 A7 處理器,黑色樹脂裡頭,採用的是超薄 PoP(Package on Package)封裝,直接將一顆 1GB 容量的 DRAM 與處理器疊在一起封裝。

三星是舉世唯一可量產記憶體與處理器,也有自家封測廠的半導體廠。由它承製,整個 A7 處理器可在「一個屋頂」下完成,在成本、整合度擁有巨大優勢。

因此,儘管三星 Galaxy 智慧型手機帶給蘋果的威脅愈來愈大,蘋果仍無法擺脫對勁敵的依賴。直到 2016 年的 iPhone 6s,儘管已引進台積電,但仍須與三星對分處理器代工訂單。

導入 CoWoS 技術,理論上可讓處理器減掉多達 70% 厚度。但客戶卻意興闌珊。

某天,蔣尚義和一位「大客戶」的硏發副總共進晚餐。對方告訴他,這類技術要被接受,價格不能超過每平方公厘 1 美分。

但 CoWoS 的價格是這數字的 5 倍以上。

台積電當即決定開發一個每平方公厘 1 美分的先進封裝技術,性能可以比 CoWoS 略差一些。

「我就用力衝衝衝,」余振華說。他決定改用「減法」,將 CoWoS 結構盡量簡化,最後出來一個精簡的設計。

余振華馬上向蔣尚義報告,在白板上畫圖向他說明,「我最後幾句話還沒講完,蔣爸已經不管,馬上跑去跟董事長講,挖到一個大金礦。」他回憶。

這就是首度用在 iPhone 7 與 7Plus 的 InFO 封裝技術。該技術是台積獨拿蘋果訂單的主要關鍵。

而且,不只一代。包括幾個月前上市的 iPhone X、今年接下來的新款。一位外資分析師表示,愈來愈多跡象顯示,甚至 2019 年、2020 年的蘋果新產品,台積電通吃的可能性愈來愈高。

一位也曾參與蘋果訂單的封測廠高階主管則認為,三星算是「大意失荊州。」

當台積電提出 InFO,封裝經驗較台積電豐富的三星,卻發生誤判,以為只要將既有的 PoP 技術稍微改良,就可達到蘋果要求的厚度水準。

因此錯失先機後,三星要再衝刺自己版本的類 InFO 技術,就已追趕不及。

打破不可能,「小媳婦」立大功勞

2016 年 11 月,當首度採用 InFO 技術的 iPhone 7 大量出貨之際,台積電公告,立下大功的余振華,晉升為整合連接與封裝副總經理。

「一開始沒人看好,」余振華感嘆。

一位出身台積電、擔任封裝廠主管的前輩,曾當面告訴他,「你們台積電根本不可能成功!」

首先,成本面難與封測廠競爭。因為封裝廠也在發展類似技術,而台積電的人力成本遠高過封裝業,因此要求產品毛利要達到 50%,但日月光、矽品只要 20% 就能做了。

外資分析師也看衰。例如,美商伯恩斯坦證券分析師馬克‧李(Mark Li)當時的研究報告寫著:「InFo 會讓台積電相對於英特爾與三星更有競爭力嗎?不,我們不認為。」

他認為像三星跟英特爾在封裝領域累積的經驗與技術,遠勝剛入門的台積電。例如英特爾跟三星在「扇出型晶圓級封裝」的專利數分別名列全球第二、三。而台積連前十名都排不進去。

這些看衰的意見,都言之有理。為什麼余振華能夠逆轉乾坤,完成這個「不可能任務」?

他給了一個令人意想不到的答案,「就豁出去了, I have nothing to lose。」

他斜靠著採訪地點的沙發,慘然笑著。

原來,那段時間,正是他人生的谷底。

余振華算是台積電第一批歸國學人,加入時間甚至比蔣尚義還早。

他在清華大學念完碩士之後留美,在喬治亞理工學院拿到材料博士後,在著名的貝爾實驗室做半導體研究,1990 年代初期就回國加入台積電,歷經先進微縮技術處長、先進模組技術處長。

一位與他認識的前半導體業主管指出,當時余振華「都走在技術的最前端」,台積電的 CMP(化學機械平坦化)製程,便是他設立的。

台積電上一個里程碑,是成功在 2003 年量產、從此大幅拉開與聯電差距的 0.13 微米一役。

當時,受行政院表揚的 0.13 微米技術團隊 6 位主管,余振華負責的業務轉為銅導線與低介電物質,歸類於「後段」製程。

原先他負責的先進模組技術,此時由日後投奔三星的梁孟松主管。

他從半導體廠投入資源最多、對產品性能影響最大的前段製程研發,幾年間移到後段,最後落腳到「半導體業的傳產」──封裝。

在這個追逐摩爾定律,以不斷「微縮」為主要使命的超高壓行業,這形同從最受矚目的一級戰區,被流放邊疆。

深深吐出一口氣之後,余振華說,「一開始人不多,前段、後段都我做嘛,到後來人才多了起來,我就一直退、退、退,退到封裝去了。」

5 年燒壞幾千片晶圓,開創 CoWoS 封裝時代

余振華透露,那段時間不只工作變化大,連家庭、家人也出現狀況,人生陷在低潮,讓他反而燃起破釜沉舟的決心。

台積電的 InFo 與 CoWoS,都屬於「晶圓級封裝」技術,也就是直接在矽晶圓上完成封裝。因此可以大幅縮小體積、提高效能。

台積電身為全球第一個量產晶圓級封裝的半導體大廠,走在前線,便有層出不窮的技術難題得解決。例如,棘手的 Warpage(晶圓繞曲)問題。

一位也參與蘋果訂單的封裝業高層透露,台積電付出昂貴的學費,5 年間產線燒壞了幾千片昂貴的晶圓。

「聽說良率一直上不去,直到去年才達到八成。」一位台積電大客戶主管也說。

2016 年開始,余振華的漫長堅持,終於開始看到曙光。

CoWoS 的新客戶大量出現。他當年的預測成真:最新、最高階的晶片,真的都非得用 CoWoS 不可。

因為 CoWoS 可讓此類產品的效能提升 3 到 6 倍。

該年,輝達(Nvidia)推出該公司第一款採用 CoWoS 封裝的繪圖晶片 GP100,為最近一波人工智慧熱潮拉開序幕。包括,翌年 AlphaGo 打敗世界棋王柯潔背後的 Google 人工智慧晶片 TPU 2.0,這些舉世最高性能、造價最高的人工智慧晶片,都是 CoWoS 封裝、台積電製造。

甚至,連 2017 年底,英特爾與 Facebook 合作推出,要挑戰輝達壟斷地位的 Nervana 類神經網路處理器,都不例外,乖乖交給台灣競爭對手代工。

「沒有 CoWoS,最近這麼一大波 AI 不會這麼快出來,」余振華自豪地說。他並表示,現在 CoWoS 的產能已供不應求。

他並透露,手中還備有幾款祕密武器,未來將一一現身。

過去幾年,外界在看台積電、三星、英特爾的三雄競爭,眼光都擺在 7 奈米、EUV 等夢幻技術的進度。結果,原先不起眼的封測部門,現在儼然成為台積電甩開三星、英特爾的主要差異點。

追根究柢,得歸功於余振華這十年來的「堅持」。

「我覺得他是個典範,」一位台積電主管說,「這麼聰明能幹的人,可是公司在人事上挪來挪去,他沒有怨言,你派我去做什麼就做什麼,可是我做就一定做到最好。」

(本文由 天下雜誌 授權轉載)

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