行业周报：需求高增产能紧缺，先进封装设备国产替代加速

后摩尔时代，先进封装市场增速领先整体封装市场 随着半导体工艺制程持续演进，晶体管尺寸的微缩已经接近物理极限，芯片制造良率和成本、芯片功耗及性能也越来越难以平衡，集成电路行业进入“后摩尔时代”。先进封装技术能在不单纯依靠芯片制程工艺突破的情况下，通过晶圆级封装和系统级封装提高产品集成度实现功能多样化，满足终端需求并降低成本，成为后摩尔时代提升芯片整体性能的主要路径。带有倒装芯片结构的封装、晶圆级封装、2.5D/3D封装等均属于先进封装。2021年国内先进封装市场规模约399.6亿人民币，同比增长13.7%。根据Yole数据，全球先进封装市场340亿美元，预计以11%的复合增速增长到2027年的620亿美元，高于同期全球封装市场6%的复合增速。 2.5D/3D先进封装产能紧缺，龙头加大扩产力度 2.5D/3D封装涉及水平或垂直堆叠多个裸芯片，该封装平台可实现更高的集成度、更高的性能和更小的尺寸，主要应用于封装高带宽存储器HBM、高度集成的3D-SoC系统以及3DNAND等。Yole预计2021-2027年全球2.5D/3D封装市场以18%的复合增速位列全球先进封装细分领域增速之首。台积电CoWoS是2.5D封装的代表性工艺，台积电董事长在2023年6月表示AI促使CoWoS产能供不应求，公司将加大扩产力度。根据电子时报报道，预计台积电CoWoS产能将由目前的8000片/月增加至2023年下半年的11000片/月，2024年底产能将进一步扩大至20000片/月。 先进封装新工艺带来设备新需求 先进封装设备投资额约占产线总投资的87%，2021年全球先进封装340亿美元市场，则对应设备市场空间预计超过290亿美元。相较传统封装，先进封装对固晶机、研磨设备精度要求更高，对测试机的需求量增多，同时因为多了凸点制造、RDL、TSV等工艺，产生包括光刻设备、刻蚀设备、深孔金属化电镀设备、薄膜沉积设备、回流焊设备等在内的新需求。 先进封装设备国产化率低于15%，国产厂商成长空间广阔 我国先进封装设备国产化率整体低于15%，后道测试机、分选机是国产替代进展最快的环节，国产化率超过10%；贴片机、划片机等后道设备国产化率仅约3%、TSV深硅刻蚀、TSV电镀设备、薄膜沉积等制程设备几乎都进口自海外。先进封装需求高增、产能紧缺，国内长电科技、通富微电、华天科技等封测厂也在加大2.5D/3D等先进封装平台的布局，在供应链自主可控需求下，国产设备厂商迎来发展良机。受益标的：芯碁微装、中微公司、北方华创、拓荆科技、盛美上海、芯源微、华海清科、长川科技、快克智能。 风险提示：先进封装下游需求不及预期、国产设备厂商通过客户验证放量进度不及预期。 1、后摩尔时代，先进封装市场增速领先整体封装市场 1.1、先进封装是后摩尔时代提升芯片性能的重要路径 摩尔定律逼近物理极限，集成电路行业进入“后摩尔时代”。随着半导体工艺制程持续演进，晶体管尺寸的微缩已经接近物理极限，芯片制造良率和成本、芯片功耗及性能也越来越难以平衡，集成电路行业进入“后摩尔时代”。 先进封装是后摩尔时代提升芯片性能的重要路径。先进封装技术能在不单纯依靠芯片制程工艺突破的情况下，通过晶圆级封装和系统级封装，提高产品集成度和功能多样化，满足终端应用对芯片轻薄、低功耗、高性能的需求，同时大幅降低芯片成本，因此成为后摩尔时代提升芯片整体性能的主要路径。 先进封装处于前道晶圆制造与后道封测的交叉区域。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、线路重排（RDL）、凸块制作（Bumping）及三维硅通孔（TSV）等工艺技术。上述先进封装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。 图1：先进封装处于前道晶圆制造与后道封测的交叉区域 带有倒装芯片（FC）结构的封装、晶圆级封装（WLP）、2.5D封装、3D封装等均被认为属于先进封装范畴。 图2：半导体封装演进本质是I/O密度的提升，由2D向2.5D、3D发展 根据Yole数据，预计全球先进封装市场将从2021年的340亿美元增长到2027年的620亿美元，复合增速11%。对比2020-2026年全球封装市场年复合增长率约为6%，先进封装市场增速更高。根据鼎龙股份公告中引用的华经产业研究院数据，2021年中国先进封装市场规模约为399.6亿人民币，同比增长13.7%。 1.2、2.5D/3D封装是先进封装市场增速最高的细分领域 2.5D/3D堆叠封装涉及水平或垂直堆叠多个裸片或芯片，该平台可实现更高的集成度、更高的性能和更小的外形尺寸，使其成为应对人工智能、5G和HPC应用挑战的重要技术。2.5D/3D堆叠封装中的具体应用包括使用混合键合技术的CIS、用于更快数据访问和改进内存带宽的HBM、用于高度集成系统的3D-SoC以及用于提高存储密度和容量的3DNAND。 2.5D封装：裸晶堆栈并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介层(interposer)顶部。 中介层可提供芯片之间的连接。 3D封装：将不同芯片在Z轴方向上堆叠，通过TSV等方法实现更高效率互联。 图3：HBM内部DRAM通过3D封装互联，HBM与SOC通过硅中介层互联为2.5D封装 人工智能快速发展，高性能芯片需求量高增。根据Yole数据，预计2021-2027年全球2.5D/3D封装市场将以18%的复合增速位列全球先进封装细分领域市场增速的第一位。 图4：预计2.5D和3D封装是先进封装市场增速最高的细分领域 1.3、2.5D/3D先进封装产能紧缺，龙头加大扩产力度 全球先进封装市场玩家包括封测厂、晶圆厂和IDM。根据Yole数据，OSAT厂在全球先进封装厂占据主导地位，2021年全球市场份额65%。中国三大封测厂长电科技、通富微电、华天科技也在全球市场上占据领先地位。由于先进封装涉及诸多前道制造工艺，晶圆厂和IDM厂正在凭借前道工艺优势扩大市场占有率，2022年，英特尔、台积电、三星在先进封装领域的营收分别位列全球第3/4/6位。 图5：晶圆厂、IDM在先进封装市场的竞争力不断上升 图6：2021年OSAT厂在全球先进封装市场份额最高，达到65% 算力时代对堆叠封装需求提升，台积电、英特尔、三星等以及中国大陆的三大封测厂均布局2.5D/3D先进封装平台，以满足AI加速器和其他HPC芯片等高端市场快速增长的需求。 图7：全球封测、代工、IDM龙头纷纷布局2.5D/3D先进封装 2.5D/3D先进封装产能紧缺，龙头加大扩产力度。台积电Cowos是2.5D封装领域代表性工艺，台积电董事长刘德音在2023年6月表示的CoWoS产能供不应求，公司会将部分InFO（扇出型晶圆级）封装产能转移，以便为CoWoS腾出更多产能满足客户需求。根据电子时报，预计台积电CoWoS月产能将由目前的8000片晶圆增加至2023年下半年的11000片，其中英伟达和AMD合计占据70-80%产能。预计到2024年底产能将进一步扩大至20000片晶圆，其中一半将由英伟达占据。 2、先进封装新工艺带来设备新需求 根据气派科技招股书，公司募投项目之一的“高密度大矩阵小型化先进集成电路封装测试扩产”项目投资额中，设备投资额占总投资的87%。2021年全球先进封装340亿美元市场，则对应设备市场空间预计超过290亿美元。 相较传统封装，先进封装对固晶机、研磨设备等性能要求更高，对测试机的需求量增多，同时因为多了凸点制造、RDL、TSV等工艺，产生新的设备需求。 2.1、凸块制造所需设备包括回流焊、PVD、晶圆电镀机等 凸块制造是一种新型的芯片与基板间电气互联的方式，是各类先进封装技术得以实现进一步发展演化的基础。通过在晶圆上制作金属凸块实现。具体工艺流程为：晶圆在晶圆代工厂完成基体电路后，由封测代工厂在切割之前进行加工，利用薄膜制程、黄光、化学镀制程技术及电镀、印刷技术、蚀刻制程，在芯片的焊垫上制作金属焊球或凸块。根据汇成股份招股书，所需设备主要为回流焊设备、物理气相沉积设备、光刻机、晶圆电镀机等。 图8：凸块制造实现芯片与基板间的电气互联 2.2、RDL重布线层所需核心设备包括光刻设备、刻蚀设备等 RDL（ReDistributionLayer）重布线层，起着XY平面电气延伸和互联的作用。 RDL技术应用于2D晶圆级封装以及2.5D封装siinterposer的制造中。在重新分配层工艺中，首先通过溅射工艺创建一层金属薄膜，之后在金属薄膜上涂覆厚层光刻胶。随后利用光刻工艺绘制电路图案，在电路图案的曝光区域电镀金层，以形成金属引线。所需的核心设备包括光刻设备、电镀设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备等。 图9：RDL层制造工序所需的核心设备包括光刻设备、刻蚀设备等 2.3、TSV工艺核心设备为深硅刻蚀设备和深孔金属化电镀设备 TSV是2.5D和3D封装解决方案的关键实现技术，是在晶圆中填充铜，提供贯通硅晶圆裸晶的垂直互连。TSV贯穿整个芯片以提供电气连接，形成从芯片一侧到另一侧的最短路径。从晶圆的正面将通孔或孔洞蚀刻到一定深度，然后将其绝缘，并沉积导电材料(通常为铜)进行填充。芯片制造完成后，从晶圆的背面将其减薄，以暴露通孔和沉积在晶圆背面的金属，从而完成TSV互连。其中，深硅刻蚀和电镀为最关键的两项核心技术。 图10：深硅刻蚀和电镀为TSV最关键的两项核心技术 TSV整个生产流程中会涉及到深孔刻蚀、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、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。 深孔刻蚀是TSV的关键工艺，目前首选技术是基于Bosch工艺的干法刻蚀。 深反应等离子刻蚀设备就是感应耦合高密度等离子体干法刻蚀机。国外主流深硅刻蚀设备供应商包括应用材料、泛林半导体等，国内厂商为中微公司、北方华创。 气相沉积设备主要用于薄膜电路表面的高低频低应力氧化硅等薄膜淀积。 海外主要玩家为英国SPTS公司，国内拓荆科技、北方华创分别在CVD、PVD领域形成突破。 铜填充设备：深孔金属化电镀设备用于新一代高频组件高深宽比通孔填孔电镀铜工艺，解决高深宽比微孔内的金属化问题，提高互联孔的可靠性。 TSV填孔镀铜工序是整个TSV工艺里最核心、难度最大的工艺，对设备的要求比较高，成熟的用于TSV填孔镀铜的设备价格昂贵。 减薄抛光设备：一旦完成了铜填充，则需要对晶圆进行减薄抛光。TSV要求晶圆减薄至50μm甚至更薄，要使硅孔底部的铜暴露出来，为下一步的互连做准备。目前业界的多采用一体机的思路，将晶圆的磨削、抛光、贴片等工序集合在一台设备内。 3、先进封装设备国产化率整体低于15%，国产替代空间广阔 我国先进封装设备国产化率整体低于15%，后道测试机、分选机是国产替代进展最快的环节，国产化率超过10%；贴片机、划片机等后道设备国产化率仅约3%； TSV深硅刻蚀、TSV电镀设备、薄膜沉积等制程设备几乎都进口自海外，国内以北方华创、中微公司、拓荆科技、盛美上海等为代表的公司突破海外垄断，国产化率有望逐步提升。 表1：我国先进封装设备国产化率整体低于15% 先进封装需求高增、产能紧缺，国内以长电科技、通富微电、华天科技为代表的封测厂也在加大2.5D/3D等先进封装的布局，在供应链自主可控趋势下，国产设备厂商迎来发展良机。 表2：国产半导体设备厂商有望受益于全球先进封装需求高增 4、风险提示 先进封装下游需求不及预期、国产设备厂商通过终端客户验证放量进度不及预期。