2023年先进封装行业深度研究报告

2023年先进封装行业 深度研究报告 发现报告 目录 前言2 先进封装行业概述4 先进封装是什么？4 封装行业发展历程：由传统到先进5 行业发展背景：先进封装是超越摩尔定律方向中的一条重要赛道8 先进封装的分类：封装的结构和具体的“工艺”9 国内封装行业的相关政策：聚焦新兴产业18 行业周期：触底持续进行，底部反转或将到来19 封测产业链梳理21 上游：半导体封装材料23 下游：应用于多个领域，对应不同封装形式27 先进封装市场现状29 先进封装市场占比逐渐高于传统封装29 中国封测市场规模增速大于全球30 竞争格局：IDM+Foundry切入先进封装，OSAT头部集中31 行业驱动因素：算力需求迎来爆发式增长35 先进封装行业趋势37 Chiplet有望成为高端算力芯片的主流封装方案38 先进封装带来新设备需求40 产业转移+下游驱动，推进设备国产化持续42 代表公司44 台积电：CoWoS成熟技术供不应求44 英特尔：玻璃基板封装技术再获突破48 三星：综合优势较大，适合定制化封装方案开发50 日月光：全球最大的封装测试厂商52 长电科技：技术实力深厚，具备先进封装能力54 通富微电：行业地位快速上升，先进封装实力强劲56 华天科技：持续发力先进封装，推出3D-Matrix先进封装技术平台58 1晶方科技：大陆晶圆级封测龙头，聚焦传感器封装59 新益昌：国产固晶机龙头，半导体固晶机快速发展60 甬矽电子：封测界后起之秀，聚焦中高端业务61 免责声明62 前言 在硅基半导体的技术演进上，每18-24个月晶体管的数量每年翻倍，带来芯片性能提升一倍，或成本下降一半，这一规律称为“摩尔定律”。先进制程带来的成本优势和先发优势，使得半 导体厂商一直致力于实现特征尺寸的缩小，而如今，随着延续摩尔定律所需新技术研发门槛提高、研发周期拉长，制程工艺迭代需花费更长时间，且成本提升明显。 业界认为，系统异质整合是提升系统性能，降低成本的关键技术之一，需要依赖先进封装技术。以CPU为例，从CPU处理器的性能发展驱动力来看，近十余年，单核性能提升的效果边际降低，增加处理器核心数量尤为关键。由于单颗芯片面积越大，良率越低，相应成本越高，先进封装成为低成本增加核心数量的重要方式。以AMD的chiplets架构举例，可以设计成多晶粒架 构，将处理器的多个处理核心制造在多个晶粒里，再封装整合成单一CPU，取代原本将所有核心在单一芯片统一制造的方式，可大大降低成本。再如苹果于2022年发布的M1Ultra芯片是由两颗M1Max芯片通过台积电InFO-LSI技术封装在一起，实现了芯片性能的翻倍。先进封装技术能解决异质高密度的集成，运用封装技术继续提升整体性能。 整体看，在当前中国发展先进制程外部条件受限的环境下，发展先进封装部分替代追赶先进制程，应是发展逻辑之一，更是超越摩尔定律、提升芯片系统性能的关键路径之一。 先进封装的四要素是Bump、RDL、Wafer和TSV，其中TSV是使封装技术从二维向三维拓展的关键技术。先进封装的技术与形态会根据应用侧需求不断变化与迭代，从WLP、2.5D/3D、SiP等技术类型出发，各厂商发展出了满足多样化需求的封装解决方案。据Yole预测，2021-2027 年间先进封装的年化复合增速为9.6%，且先进封装占封装行业的比重将逐渐超越传统封装，为 2 封测市场贡献主要增量。细分技术方面，倒装封装目前是营收规模最大的技术方案，嵌入式、3D堆叠和晶圆级扇出型等高阶封装成长速度较快。此外，先进封装对传统封装设备的使用需求和精度要求都有所提升，且工艺延伸至前道环节，增加了前道设备的需求，为半导体设备行业带来增量。 随着数字经济的发展和产业智能化转型的推进，高性能计算超越手机成为新一轮半导体周期的第一大驱动力。高性能计算的应用场景不断拓宽，对算力芯片性能提出更高要求，进而拉动了先进封装及Chiplet工艺的需求。Chiplet技术需要采用先进封装工艺实现，其在设计灵活度、良率以及成本等方面优势明显。在国内发展先进制程外部条件受限的环境下，Chiplet是国产芯片“破局”路径之一。 英特尔、台积电和日月光等半导体龙头企业以较高的资本支出对先进封装产业进行布局，英特尔致力于实现每毫米立方体里功能最大，台积电推出了“3DFabric”先进封装平台，日月光推出了“VIPack”先进封装平台。英特尔、台积电等是晶圆厂的代表，其在前道制造环节的经验更丰富，能深入发展需要刻蚀等前道步骤的TSV技术，因而在2.5D/3D封装技术方面较为领先；而以日月光为代表的后道封装厂商则更熟悉异质异构集成，因此在SiP技术的发展方面更有优势。中国大陆封测厂长电科技、通富微电、华天科技等近年来发展迅速，其中长电科技的先进封装技术布局全面且背靠中芯系，在国内封测厂中具有领先优势。 本篇报告，发现报告研究院期望与大家一起了解什么先进封装？先进封装技术方案及应用场景都有哪些？市场现状如何？什么因素驱动了先进封装的发展？行业又有何发展前景？竞争格局及相关公司有哪些？希望对大家了解先进封装行业有所帮助。 3 先进封装行业概述 先进封装是什么？ 封装为半导体产业核心一环，主要目的为保护芯片。半导体封装测试处于晶圆制造过程中的后段部分，在芯片制造完后，将晶圆进行封装测试，将通过测试的晶圆按需求及功能加工得到芯片，属于整个IC产业链中技术后段的环节，封装的四大目的为保护芯片、支撑芯片及外形、将芯片的电极和外界的电路连通、增强导热性能作用，实现规格标准化且便于将芯片的I/O端口连接到部件级（系统级）的印制电路板（PCB）、玻璃基板等材料上，以实现电路连接，确保电路正常工作。 图1：半导体产业链 资料来源：耐科装备招股书，发现报告整理 封装效果以封装效率、引脚数衡量、散热程度为三大衡量指标。封装效果的主要评价标准以封装效率、引脚数、散热性能为主。在满足封装基本要求的前提下，封装效果评价主要基于以下三点： 4 封装效率。芯片面积/封装面积，尽量接近1:1为宜，缩小体积为目前封装发展方向，晶圆级封装能够做到接近1:1的比例； 引脚数。每单位(mm2)引脚数越多（I/O越多），封装程度越高级，但是工艺难度也相应增加，引脚数多的封装通常用在高端的数字芯片封装中； 散热程度。引脚数越多，所产生的热能越多；封装体积越小，散热效能越低，因此如何在封装效率、引脚数、散热程度取得平衡，成为封装评价关键的一点。 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。 图2：先进封装成为后摩尔时代发展趋势 资料来源：中泰证券，发现报告整理 封装行业发展历程：由传统到先进 根据《中国半导体封装业的发展》，迄今为止全球集成电路封装技术一共经历了五个发展阶段， 目前市场主流封装形式仍以第三阶段为主流，BGA和CSP等主要封装形式进入大规模生产阶 5 段。封装演变历史朝小型化、I/O数量增加（多引脚）、集成化三向发展。以小型化为例，过去DIP封装后的体积是芯片的100倍大，发展至CSP仅芯片的1.2倍或更小；I/O数量也从过去6个引脚增加到数千个以上。先进封装位于整个封装技术发展的第四阶段及第五阶段，I/O数量多、芯片相对小、高度集成化为先进封装特色。 图3：集成电路封装发展历程 资料来源：Yole，发现报告整理 先进封装以内部封装工艺的先进性为评判标准，并以内部连接有无基板可分两大类。先进封装的划分点在于工艺以及封装技术的先进性，一般而言，内部封装为引线框架(WB)的封装不被归类为先进封装，而内部采用倒装(FC)、晶圆级(WL)等先进技术的封装则可以称为先进封装，先进封装以内部连接有无载体(基板)可一分为二进行划分： 有载体(基板型)：内部封装需要依靠基板、引线框架或中介层(Interposer)，主要内部互连为倒装封装(FC)，可以分为单芯片或者多芯片封装，多芯片封装会在中介层(或基板)之上有多个芯片并排或者堆叠，形成2.5D/3D结构，基板之下的外部封装包括BGA/LGA、CSP 6 等，封装由内外部封装结合而成，目前业界最具代表性且最广为使用的组合包括FCBGA(倒装BGA)、EmbeddedSiP、2.5D/3DIntegration。 无载体(晶圆级)：不需要基板、引线框架或中介层(Interposer)，因此无内外部封装之分，以晶圆级封装为代表，运用重布线层(RDL)与凸块(Bumping)等作为I/O绕线手段，再使用倒放的方式与PCB板直接连接，封装厚度比有载体变得更薄。晶圆级封装分为扇入型(Fan-in)跟扇出型(Fan-out)，而扇出型又可以延伸出3DFO封装，晶圆级封装为目前封装技术中最先进的技术类别。 先进封装以缩小尺寸、系统性集成、提高I/O数量、提高散热性能为发展主轴，可以包括单芯片和多芯片，倒装封装以及晶圆级封装被广为使用，再搭配互连技术(TSV,Bump等)的技术能力提升，推动封装的进步，内外部封装可以搭配组合成不同的高性能封装产品。 图4：传统封装（打线）与先进封装（倒装）对比 资料来源：东吴证券，发现报告整理 7 行业发展背景：先进封装是超越摩尔定律方向中的一条重要赛道 半个多世纪以来，微电子技术大致遵循着“摩尔定律”快速发展。但近年来，随着芯片制程工艺的演进，“摩尔定律”迭代进度放缓，导致芯片的性能增长边际成本急剧上升。据IBS统计，在达到28nm制程节点以后，如果继续缩小制程节点，每百万门晶体管的制造成本不降反升。在摩尔定律减速的同时，计算需求却在暴涨。随着云计算、大数据、人工智能、自动驾驶等新兴领域的快速发展，对算力芯片的效能要求越来越高。 因此，先进封装成为超越摩尔定律方向中的一条重要赛道。先进封装在提高芯片集成度、缩短芯片距离、加快芯片间电气连接速度以及性能优化的过程中扮演了更重要角色，正成为助力系统性能持续提升的重要保障，并满足“轻、薄、短、小”和系统集成化的需求。 根据Yole预测，先进封装占整体封装的比重将从2014年的38%上升至2026年的50.2%。2019-2025年先进封装市场规模增速CAGR6.6%，远远高于传统封装的1.9%。 5 4 3 2 1 0 4.01 2.82 1.94 1.3 1.42 1.43 1.45 1.52 90nm65nm45/50nm28nm20nm16/14nm10nm1nm 图5：芯片每百万门制造成本随制程节点变化趋势（美元） 资料来源：IBS，发现报告整理 8 Yole最新的数据显示，全球先进封装市场规模将由2022年的443亿美元，增长到2028年的786亿美元，2022-2028年市场规模CAGR为10.6%。在不同的先进封装平台中，2.5D/3D增长最快，2022年至2028年的CAGR接近40%。它是分析和开发最多的技术之一，收入占比较大。用于将芯片与更先进节点集成的高端性能封装预计到2028年将超过160亿美元，占先进封装领域的20%以上。分下游看，高端性能封装中消费类和通讯将占大头，2022-2028年市场规模增速分别为50%和32%。 先进封装的分类：封装的结构和具体的“工艺” 先进封装可分为封装的结构（package）和具体的“工艺”。 先进封装的结构有晶圆级封装(WLP)，芯片级封装(CSP)，多芯组装(MCM)，系统级封装(SiP)，三维立体封装（2.5D/3D），系统级单芯片(SoC)，微电子机械系统封装(MEMS)。 先进封装的“工艺”包括倒装芯片技术(FC)，凸块制作技术(Bumping)，硅通孔技术(TSV)，扇出型集成电路封装(Fan-out)，扇进型集成电路封装(Fan-in)，其中FC是与传统打线对应的先进封装概念，而bumping则是FC的核心前道环节。 9 图6：2.5D和3D封装