电子行业TSV研究框架：先进封装关键技术

证券研究报告：电子|深度报告 2023年7月31日 行业投资评级 强于大市|维持 先进封装关键技术——TSV研究框架 7% 4% 1% -2% -5% -8% -11% -14% -17% -20% 电子沪深300 投资要点 行业相对指数表现（相对值） 行业基本情况收盘点位 3810.17 52周最高 4444.94 52周最低 3261.49 摩尔定律放缓，芯片特征尺寸已接近物理极限，先进封装成为提升芯片性能，延续摩尔定律的重要途径。先进封装是指处于前沿的封装形式和技术，通过优化连接、在同一个封装内集成不同材料、线宽的半导体集成电路和器件等方式，提升集成电路的连接密度和集成度。目前，带有倒装芯片（FC）结构的封装、晶圆级封装（WLP）、系统级封装（SiP）、2.5D/3D封装等均被认为属于先进封装范畴。 先进封装增速高于整体封装，2.5D/3D封装增速居先进封装之首根据Yole，2021年，先进封装市场规模约375亿美元，占整体封装市场规模的44%，预计到2027年将提升至占比53%，约650亿美元，CAGR21-27为9.6%，高于整体封装市场规模CAGR21-276.3%。先进封装中的2.5D/3D封装多应用于(x)PU,ASIC,FPGA,3DNAND,HBM,CIS等， 受数据中心、高性能计算、自动驾驶等应用的驱动，2.5D/3D封装市 2022-082022-102022-122023-032023-052023-07 研究所 资料来源：聚源，中邮证券研究所 分析师:吴文吉 SAC登记编号:S1340523050004 近期研究报告 Email:wuwenji@cnpsec.com 《AI+国产化+消费复苏趋势持续，电子持仓环比提升》-2023.07.25 场收入规模CAGR21-27高达14%，在先进封装多个细分领域中位列第一先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域，涉及IDM、晶 圆代工、封测厂商，市场格局较为集中，前6大厂商份额合计超过80%。全球主要的6家厂商，包括2家IDM厂商(英特尔、三星)，一家代工厂商(台积电)，以及全球排名前三的封测厂商(日月光、AmkorJCET)，合计处理了超过80%的先进封装晶圆。 TSV指ThroughSiliconVia，硅通孔技术，是通过硅通道垂直穿过组成堆栈的不同芯片或不同层实现不同功能芯片集成的先进封装技术。TSV主要通过铜等导电物质的填充完成硅通孔的垂直电气互连，减小信号延迟，降低电容、电感，实现芯片的低功耗、高速通信增加带宽和实现器件集成的小型化需求。此前，芯片之间的连接大多都是水平的，TSV的诞生让垂直堆叠多个芯片成为可能。 TSV用途大致分为3种：背面连接（应用于CIS等）、2.5D封装 （TSV在硅中介层）、3D封装（TSV位于有源晶粒中，用于实现芯片堆叠）。目前，国内头部封测企业如长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技等都在TSV有所布局。目前国内封测厂进行的TSV工序多用于CIS等封装，高深宽比要求的TSV仍多由晶圆厂来完成。 TSV制造涉及的相关设备种类繁多。以2.5Dinterposer为例，其制造流程可以分为三大部分：TSVprocess-VialastorViamiddle（TSV孔的制造）、Frontsideprocess-DualDamasceneprocess（正面制程-大马士革工艺）以及Backsideprocess-CuExpose&RDLprocess（背面制程-露铜刻蚀和RDL制程）。每个部分具体环节对应不同设备及不同指标。TSV生产流程涉及到深孔刻蚀、PVD、CVD、铜填充、微凸点及电镀、清洗、减薄、键合等二十余种设 备，其中深孔刻蚀、气相沉积、铜填充、清洗、CMP去除多余的金属晶圆减薄、晶圆键合等工序涉及的设备最为关键。 建议关注： 代工：中芯国际 封装：长电科技，通富微电，华天科技，晶方科技，盛合晶微（未上市） 设备：北方华创，中微公司，盛美上海，拓荆科技，微导纳米，芯源微，华海清科，至纯科技，芯碁微装，上海精测（精测电子子公司），中科飞测，睿励仪器（中微公司持股34.75%），东方晶源（未上市） 风险提示： 下游需求不及预期；行业景气度复苏不及预期；公司技术与产品迭代进展不及预期等。 目录 1后摩尔时代，先进封装成为提升芯片性能重要解法5 1.1摩尔定律放缓，先进封装日益成为提升芯片性能重要手段5 1.2先进封装份额占比提升，2.5D/3D封装增速领先先进封装6 1.3先进封装处于晶圆制造与封测的交叉区域7 2TSV：硅通孔，先进封装关键技术8 2.1TSV：硅通孔技术，芯片垂直堆叠互连的关键技术8 2.2TSV三种主要应用方向：背面连接、2.5D封装、3D封装9 2.3国内封测厂TSV布局情况：多家头部厂商已有布局12 3TSV制造流程及所需设备14 3.1TSV制造流程14 3.2TSV关键工艺设备及特点16 3.3TSV国产设备厂商18 4风险提示23 图表目录 图表1：全球封装技术向先进封装迈进5 图表2：半导体封装技术演进路线图6 图表3：2020-2027年先进封装市场收入规模预测（单位：十亿美元）7 图表4：先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域8 图表5：2021年先进封装按晶圆拆分市场份额8 图表6：TSV示意图8 图表7：TSV的应用：种类、产品、TSV间距、wafer厚度、公司9 图表8：TSV的三种应用形式：背面连接、2.5D封装、3D封装10 图表9：封装技术演进：从传统封装，到采用硅中介层的2.5D封装，到TSV垂直连接的3D封装10 图表10：相机模组尺寸对比：带引线键合的图像传感器（a）VS带TSV的图像传感器（b）11 图表11：采用晶圆级封装和TSV技术的图像传感器11 图表12：TSV在2.5D封装的应用:FPGA11 图表13：宽I/ODRAM封装高度对比：TSV连接（a）VS引线键合连接（b）12 图表14：国内封测企业三梯队中，第一梯队企业在先进封装领域在TSV已有布局13 图表15：头部封测企业量产主要封装形式14 图表16：2.5Dinterposer制造流程及所需设备16 图表17：Bosch工艺17 图表18：TSV结构17 图表19：TSV的湿法清洗挑战18 图表20：TSV正面制程-大马士革工艺环节的清洗18 图表21：北方华创TSV相关设备19 图表22：盛美上海TSV相关设备20 1后摩尔时代，先进封装成为提升芯片性能重要解法 1.1摩尔定律放缓，先进封装日益成为提升芯片性能重要手段 随着摩尔定律放缓，芯片特征尺寸接近物理极限，先进封装成为提升芯片性能，延续摩尔定律的重要手段。先进封装是指处于前沿的封装形式和技术，通过优化连接、在同一个封装内集成不同材料、线宽的半导体集成电路和器件等方式，提升集成电路的连接密度和集成度。当前全球芯片制程工艺已进入3-5nm区间，接近物理极限，先进制程工艺芯片的设计难度、工艺复杂度和开发成本大幅增加，摩尔定律逐渐失效，半导体行业进入“后摩尔时代”。前道制程工艺发展受限，但随着AI等新兴应用场景快速发展，芯片性能要求日益提高，越来越多集成电路企业转向后道封装工艺寻求先进技术方案，以确保产品性能的持续提升。先进封装技术应运而生，在“后摩尔时代”逐步发展为推动芯片性能提升的主要研发方向。 先进封装有多种分类标准，是否有焊线或光刻工序是其中一种区分方式。传统封装不涉及光刻工序，切割后的晶圆通过焊线工艺实现芯片与引线框架的电性连接，从而完成芯片内外部的连通。先进封装主要利用光刻工序实现线路重排 （RDL）、凸块制作（Bumping）及三维硅通孔（TSV）等工艺技术，涉及涂胶、曝光、显影、电镀、去胶、蚀刻等工序。 图表1：全球封装技术向先进封装迈进 资料来源：艾森半导体招股说明书，中邮证券研究所 图表2：半导体封装技术演进路线图 资料来源：Yole，中邮证券研究所 1.2先进封装份额占比提升，2.5D/3D封装增速领先先进封装 AI带动先进封装需求。TrendForce报告指出，聊天机器人等生成式AI应用爆发式增长，带动2023年AI服务器开发大幅扩张。这种对高端AI服务器的依赖，需要使用高端AI芯片，这不仅将拉动2023~2024年HBM的需求，而且预计还将在2024年带动先进封装产能增长30~40%。 先进封装增速高于整体封装，2.5D/3D封装增速居先进封装之首。根据Yole，2021年，先进封装市场规模约375亿美元，占整体封装市场规模的44%，预计到 2027年将提升至占比53%，约650亿美元，CAGR21-27为9.6%，高于整体封装市场规模CAGR21-276.3%。先进封装中的2.5D/3D封装多应用于(x)PU,ASIC,FPGA,3DNAND,HBM,CIS等，受数据中心、高性能计算、自动驾驶等应用的驱动，2.5D/3D封装市场收入规模CAGR21-27高达14%，在先进封装多个细分领域中位列第一。 图表3：2020-2027年先进封装市场收入规模预测（单位：十亿美元） 资料来源：Yole，中邮证券研究所 1.3先进封装处于晶圆制造与封测的交叉区域 先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域，涉及IDM、晶圆代工、封测厂商。先进封装要求在晶圆划片前融入封装工艺步骤，具体包括应用晶圆研磨薄化、重布线（RDL）、凸块制作（Bumping）及硅通孔（TSV）等工艺技术，涉及与晶圆制造相似的光刻、显影、刻蚀、剥离等工序步骤，从而使得晶圆制造与封测前后道制程中出现中道交叉区域，如图表4所示。 前后道大厂争先布局先进封装，竞争格局较为集中。后摩尔时代，先进制程成本快速提升，一些晶圆代工大厂发展重心正在从过去追求更先进纳米制程，转向封装技术的创新。诸如台积电、英特尔、三星、联电等芯片制造厂商纷纷跨足封装领域。先进封装竞争格局较为集中，全球主要的6家厂商，包括2家IDM厂商(英特尔、三星)，一家代工厂商(台积电)，以及全球排名前三的封测厂商(日月光、Amkor、JCET)，共处理了超过80%的先进封装晶圆。 图表4：先进封装处于晶圆制造与封测制程中的交叉区域图表5：2021年先进封装按晶圆拆分市场份额 资料来源：艾森半导体招股说明书，中邮证券研究所资料来源：Yole，中邮证券研究所；300MMEQWSPY 2TSV：硅通孔，先进封装关键技术 2.1TSV：硅通孔技术，芯片垂直堆叠互连的关键技术 TSV（ThroughSiliconVia），硅通孔技术，是通过硅通道垂直穿过组成堆栈的不同芯片或不同层实现不同功能芯片集成的先进封装技术。TSV主要通过铜等导电物质的填充完成硅通孔的垂直电气互连，减小信号延迟，降低电容、电感，实现芯片的低功耗、高速通信，增加带宽和实现器件集成的小型化需求。 此前，芯片之间的大多数连接都是水平的，TSV的诞生让垂直堆叠多个芯片成为可能。Wirebonding（引线键合）和Flip-Chip（倒装焊）的Bumping（凸点）提供了芯片对外部的电互连，RDL(再布线)提供了芯片内部水平方向的电互连，TSV则提供了硅片内部垂直方向的电互连。 图表6：TSV示意图 资料来源：论文《Anoverviewofthrough-silicon-viatechnologyandmanufacturingchallenges》，中邮证券研究所 2.2TSV三种主要应用方向：背面连接、2.5D封装、3D封装 TSV有多种用途（如图表7），可大致分为3种（如图表8）： (a)垂直的背面连接，无芯片堆叠，如“简单的背面连接”。TSV位于有源晶粒（activedie）中，用于连接至晶圆背面的焊盘（bondpad）； (b)2.5D封装。晶粒（die）连接至硅中介层（interposer），TSV在中介层 中； (c)3D封装。TSV位于有源晶粒中，用于实现芯片堆叠。 图表7：TSV的应用：种类、产品、TSV间距、wafe