先进封装：2025国内市场超1100亿 后摩尔时代半导体技术提升主流路径丨黄金眼
时间: 2024-07-16 07:48:01 | 作者: 新闻中心
已成为超越摩尔定律、提升系统性能关键路径之一的先进封装，具备巨大的市场潜力。
半导体封装是半导体制造工艺的后道工序，是指将通过测试的晶圆加工得到独立芯片的过程，即将制作好的半导体器件放入具有支持、保护的塑料、陶瓷或金属外壳中，并与外界驱动电路及其他电子元器件相连的过程。
其中传统封装是以引线框架型封装为主，芯片与引线框架通过焊线连接，引线框架的接脚连接PCB，最重要的包含DIP、SOP、QFP、QFN等封装形式，传统封装的功能主要在于芯片保护、尺度放大、电气连接三项功能。
先进封装也称为高密度封装，使用先进的设计和工艺对芯片进行封装级重构，并有效提升系统性能。相较于传统封装，先进封装具有引脚数量增加、芯片系统更小型化且系统集成度更高等特点。
先进封装技术的发展主要朝上游晶圆制程和下游模组两个方向。第一个是向上游晶圆制程领域发展，该方向发展的技术即晶圆级封装，通过晶圆重构工艺在晶圆上完成重布线，并通过晶圆凸点工艺形成与外部互联的金属凸点以进行封装，该技术的特点是可以在更小的封装面积下容纳更多的引脚。第二个是向下游模组领域拓展，即发展系统级封装技术，将以前分散贴装在PCB板上的多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片以及电容、电阻等元器件集成为一颗芯片，压缩模块体积、缩短电气连接距离，提升芯片系统整体功能性和灵活性。
目前先进封装的四要素是Bump、RDL、Wafer和TSV，具备四要素中任意一种技术即为先进封装。
1、Bump（金属凸点）技术，普遍应用于Flip-Chip（倒装焊）技术中，处于晶圆之间互联的位置，起着电气互联和应力缓冲的作用，其发展的新趋势是使金属凸点越来越小，直至发展为HybridBonding（混合键合）技术，该技术制造的电介质表面十分光滑、没有凸点，且具有更高的集成密度。
2、RDL（重布线层）技术，用于X与Y平面电气延伸和互联，适用于为I/O端口进行宽松排布，大范围的应用于WLP（晶圆级封装）技术和2.5D/3D技术中，但不适用于Flip-Chip技术。
3、Wafer（晶圆）技术，可以用作芯片的基底和WLP封装的载体，也可以与硅基板一同实现2.5D集成，技术发展的新趋势是使Wafer面积逐渐增大。
4、TSV（硅通孔）技术，用于Z轴电气互联，是实现多维立体结构封装的关键技术。
摩尔定律是指随技术演进，芯片上容纳的晶体管数量会呈指数级增长，每1.5-2年翻一倍，同时带来芯片性能提升一倍或成本下降一半的效应。在半导体制造中，工艺制程持续微缩导致晶体管密度逼近极限，同时存在短道沟效应导致的漏电、发热和功耗严重问题。因此芯片上容纳的晶体管数量持续不断的增加，单位数量晶体管的成本下降幅度却在持续降低。
根据IBS的统计及预测，从16nm到10nm，每10亿颗晶体管的成本降低了30.7%，从7nm到5nm成本下降了17.8%，而从5nm到3nm成本仅下降了4.2%。
根据国际集成电路技术发展路线图预测，未来半导体技术的发展将集中于三个方向：
1、继续遵循摩尔定律缩小晶体管特征尺寸，以继续提升电路性能、降低功耗，即More Moore。
在后两个发展趋势中，封装技术的重要性都大幅增强。先进封装是在不要求提升芯片制程的情况下，实现芯片的高密度集成、体积的微型化，并减少相关成本，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演进的趋势。
传统封装的功能主要在于芯片保护、电气连接，先进封装在此基础上增加了提升功能密度、缩短互联长度、进行系统重构的三项新功能。在后摩尔时代，人们开始由先前的“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装成为半导体行业发展重点。
市场规模方面，据Yole和集微咨询数据，2017年以来全球封测市场规模稳健增长，2022年达到815亿美元。Yole预计总体市场规模将保持增长态势，2026年达到961亿美元。
先进封装则有望展现高于封测市场整体的增长水平。据Yole预计，2019-2025年，全球整体封装市场规模年均复合增速4%，先进封装市场规模则达到7%的年均复合增速，并在2025年占据整体封装市场的49.4%。
2021年中国封测产业市场规模为2763亿元，同比增长10.1%。2017-2021年，中国大陆封测产业市场规模CAGR为9.9%，增速高于全球。根据Frost&Sullivan数据，2020年中国大陆封装市场规模2509.5亿元，其中先进封装市场规模351.3亿元，占大陆封装市场规模的比例约14%，相较于全球先进封装占封装44.9%的比例低出不少。
随着中国大陆半导体产业高质量发展，尤其是先进制程比例的提高，先进封装渗透率有望加速提高。根据Frost&Sullivan预测，2021-2025年，中国先进封装市场规模复合增速达到29.9%，预计2025年中国先进封装市场规模为1137亿元，占中国大陆封装市场的比例将达到32.0%。
随着先进封装的发展，在传统封装工艺的基础上也会有所改进，首先是在先进封装工艺中，芯片堆叠的层数增加，为了保持芯片体积较小，对减薄设备的精度提出更加高的要求。同时在Chiplet设计中，制造小芯片需要更加多的的切割和贴合，使得划片机、贴片机的需求数量和精度要求都有所提升。加上Chiplet技术中每个裸片都有必要进行测试，且将小芯片集成后还有必要进行系统性的测试，因而亦增加了测试设备的需求。
除了传统封装设备，还需要用晶圆制造前道工艺的设备。先进封装使用的设备与晶圆制造的前道工艺开始有所重叠，而不只是传统封装所需要的减薄机、划片机、贴片机等，刺激设备需求应封装技术发展而增长。
在RDL、Bumping、TSV等互连技术中，均需要用涂胶机、光刻机等设备；TSV技术需要钻孔，还增加了刻蚀机的需求。此外对传统封装设备中的减薄机、划片机也有必要进行一定改进，比如将设备进一步设计为带凸点晶圆减薄机、带凸点晶圆划片机等，同时对厚度、划切道宽度等均提出了更高的精度要求。
与设计和晶圆制造相比，封装行业进入壁垒较低，因此在中国集成电路发展早期，众多企业选择以封测环节作为切入口，并慢慢地增加对海内外企业并购动作，以持续扩大公司规模。目前封测已成为中国大陆半导体产业链中竞争力最强的环节，根据华经产业网数据，2021年长电科技、通富微电、华天科技三家企业占全球封测市场的20.1%。
其中以长电科技最为突出，在芯思想发布的委外封测前十大榜单中，中国大陆市占率占比24.55%，仅次于中国台湾地区。在中国大陆封测厂中，长电科技市占率占比44%，是国内封测行业的龙头企业。
近年来长电科技重点发展系统级、晶圆级和2.5D/3D等先进封装技术，提供的解决方案包括扇入型晶圆级封装(FIWLP)、扇出型晶圆级封装(FOWLP)、集成无源器件(IPD)、硅通孔(TSV)、包封芯片封装(ECP)、射频识别(RFID)等。并且，国内晶圆代工龙头中芯国际是长电科技股东之一，逐渐增强了公司的竞争能力。
通富微电聚焦算力芯片封测，在多个先进封装技术领域开展专利布局，截至2022年12月31日累计国内外专利申请达1,383件，其中发明专利占比约70%。公司在多芯片组件、集成扇出封装、2.5D/3D等先进封装技术方面均有前瞻性布局，已能提供多样化的Chiplet封装解决方案，且现已具备7nm、Chiplet封装技术规模量产能力。
华天科技为国内第三大、全球第六大的封测厂，现已掌握了SiP、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP、3D等集成电路先进封装技术。在Fan-Out领域，华天科学技术拥有完全自主知识产权的晶圆级扇出型封装解决方案-eSiFO（embedded Silicon Fan-Out），能够给大家提供8寸，12寸晶圆级扇出封装的服务。此外公司实现了3DFOSiP封装工艺平台的开发，现已具备由TSV、eSiFo、3DSiP构成的最新先进封装技术平台——3DMatrix。
半导体设备方面，近年来国内半导体设备厂商发展迅速，涌现了北方华创、中微半导体、沈阳拓荆、华海清科、精测电子等具备较先进制程设备工艺实力的公司，对于先进封装所使用的刻蚀机、涂胶显影设备、清理洗涤设施、测试机等有望部分实现国产替代。
此外还有直写光刻设备龙头芯碁微装，其WLP2000光刻机，可用于先进封装的BUMP、RDL、WLP等工艺，有望受益于先进封装行业发展。
国内固晶机龙头新益昌，已经成功进入了半导体固晶机和MiniLED固晶机市场。公司在半导体设备领域已具有较强的市场竞争力及较高的品牌知名度，封测业务涵盖MEMS、模拟、数模混合、分立器件等领域，客户包括晶导微、灿瑞科技、扬杰科技、通富微、固锝电子、华天科技等知名公司。
国内半导体划片机设备龙头光力科技，是全球排名前三的半导体切割划片装备企业，并同时拥有切割划片量产设备、核心零部件——空气主轴和刀片等耗材的企业，可以为客户提供个性化的划切整体解决方案。公司高端切割划片设备与耗材能够适用于先进封装中的切割工艺。公司与日月光、嘉盛半导体、长电科技、通富微电、华天科技等国内外封测头部企业建立了稳定的合作关系。
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