电子11月周专题：先进封装空间广阔，国产设备加速提升

先进封装是摩尔定律的延续 根据IRDS，未来集成电路技术发展将主要集中在2个方向：一是继续遵循摩尔定律缩小晶体管特征尺寸（More Moore）；二是向多类型方向发展、拓展摩尔定律（More ThanMoore），即采用先进的封装技术。目前IC制造工艺已经实现 3nm 的商业化，受到良率、成本等影响， 2nm 及以下IC制造的商业化正在放缓；同时考虑到成本、技术实现等因素，More Than Moore的路线受到更多关注，台积电、英特尔、三星等头部大厂将重点逐渐转向封装工艺。 先进封装对工艺、设备提出更高要求 先进封装工艺是在原来传统封装工艺上更新或增加了部分工艺，对设备的要求更高。更新工艺部分，对于传统工艺的性能标准在提升，例如背面减薄的翘曲度更平整，晶圆切割的速度、精度更高等，几乎原有传统工艺都在进行升级，使用的设备也在升级。增加工艺部分主要是前道制造基本工艺：光刻、溅射、电镀工艺、光刻胶去胶和金属刻蚀，其中需要用到的设备包括光刻机、PVD、CVD、电镀设备、涂胶显影设备、去胶机、刻蚀机、CMP、临时键合与解键合设备等。 传统封装设备：国产化率低，替代空间大 2020年各类传统封装设备的市场占比情况如下：贴片机市场占30%，引线机市场约占23%，划片和检测设备占总市场份额的28%，切筋与塑封设备占比18%，电镀设备在封装设备行业中占比最小，大约在1%左右。从国产化率来看，2017至2021年中国大陆封装设备国产化率提升较慢，仅从1%提升至3%，其中引线键合、贴片机、划片机国产率提升均较慢，替代空间较大。 先进封装设备：前道技术后移，有望率先替代 前道制造设备国产率提升较快，技术下沉有望率先替代先进封装部分工艺。从半导体设备国产替代进度来看，去胶设备国产化率最高，超过90%；清洗设备、刻蚀设备、热处理设备、PVD设备、CMP设备等国产率均在10%以上；光刻设备及涂胶显影设备替代率较低，但是目前进展较为顺利，预计将有零的突破。 前道制造设备制程以纳米级为主，后道封装设备以微米级为主，前道量产设备技术下沉能够覆盖微米级封装设备需求。 投资建议 封装技术升级有望带来产业链需求提升，建议关注相关企业： 先进封装设备企业：芯源微、盛美上海、中微公司、华海清科、拓荆科技、赛腾股份、芯碁微装等； 传统封装设备企业：光力科技、新益昌、奥特维、耐科装备、亚威股份等。 风险提示：先进封装市场需求不及预期、国内封测厂资本开支不及预期、国内企业研发不及预期。 1.先进封装对工艺、设备提出更高要求 1.1先进封装是摩尔定律的延续 电子封装涵盖范围较广，半导体封装一般仅涉及晶圆切割和芯片封装工艺。电子封装包含0-3四个不同等级：0级封装指将晶圆切割成芯粒，1级封装指单/多芯片封装，2级封装指芯片安装到模块或电路上，3级封装是将芯片和模块的电路卡安装到系统上。 图表1：半导体的封装等级 传统封装较难满足高性能芯片的需求。传统封装的主要作用是保护芯片免受物理性或化学性损坏、与系统之间的电气连接、机械连接。随着高性能芯片需求的出现，半导体封装技术朝着六大方向演进，即散热、小型化、低成本、高可靠性、堆叠、高速信号传输。封装技术在决定芯片性能上的重要性越来越大，业内对于封装技术的重视程度也越来越高，逐步朝着先进封装的方向演进。 图表2：半导体封装的作用 图表3：半导体封装技术的发展趋势 MoreThanMoore路线商业化前景更好。根据国际集成电路技术发展路线图的预测，未来集成电路技术发展将集中在2个方向。一是继续遵循摩尔定律缩小晶体管特征尺寸（MoreMoore）；二是向多类型方向发展、拓展摩尔定律（MoreThanMoore），即采用先进的封装技术。目前IC制造工艺已经实现 3nm 的商业化，受到良率、成本等影响， 2nm 及以下IC制造的商业化正在放缓；同时考虑到成本、技术实现等因素，MoreThanMoore的路线受到更多关注，台积电、英特尔、三星等头部大厂将重点逐渐转向封装工艺。 图表4：集成电路发展路线图 封装技术的发展史是芯片性能不断提高、系统不断小型化的历史，大致分为四个阶段，从第3阶段开始出现先进封装技术，第3阶段着重于在单芯片上做封装提升，第4阶段则着重于在多芯片互连上做提升。 第1阶段（1970年前）：直插型封装，以双列直插封装（DIP）为主； 第2阶段（1970-1990年）：以表面贴装技术衍生出的小外形封装（SOP）、J型引脚小外形封装（SOJ）、无引脚芯片载体（LCC）、扁平方形封装（QFP）4大封装技术和针栅阵列（PGA）技术为主； 第3阶段（1990-2000年）：球栅阵列（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、倒装封装（FC）芯片等先进封装技术开始兴起； 第4阶段（2000年至今）：从2D封装向3D封装方向发展，出现了晶圆级封装（WLP）、系统级封装（SiP）、扇出型（Fan-out）封装、2.5D/3D封装、嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）等先进封装技术。 图表5：IC封装工艺的发展历程 1.2先进封装运用更多前道工艺 先进封装技术主要是晶圆级封装，指晶圆切割前的工艺，封装过程中晶圆始终保持完整。晶圆级封装方法可进一步细分为四种不同类型：1）晶圆级芯片封装（WLCSP），可直接在晶圆顶部形成导线和锡球（Solder Balls），无需基板；2）重新分配层（RDL），使用晶圆级工艺重新排列芯片的焊盘位置，焊盘与外部采取电气连接方式；3）倒片（Flip Chip）封装，在晶圆上形成焊接凸点进而完成封装工艺；4）硅通孔（TSV）封装，通过硅通孔技术，在堆叠芯片内部实现内部连接。目前，市场上应用比较广泛的是台积电的CoWoS工艺，同时使用了以上多种先进封装工艺。 图表6：晶圆级封装的分类 图表7：使用HBM的2.5D封装 先进封装工艺与前道工艺相似，先进程度更高。晶圆级封装的五项基本工艺，包括：光刻（Photolithography）工艺、溅射（Sputtering）工艺、电镀（Electroplating）工艺、光刻胶去胶（PR Stripping）工艺和金属刻蚀（Metal Etching）工艺。Fan out、RDL、FC、TSV四种工序基本都使用了以上五种工艺。 图表8：扇出型晶圆级芯片（Fan out）封装工序 图表9：重新分配层（RDL）封装工序 图表10：倒装芯片（FC）封装工序 图表11：TSV封装工序 1.3先进工艺对设备要求更高 传统封装主要包括八大工艺，大致可以分为背面减薄、晶圆切割、晶圆贴装、引线键合、塑封、激光打标、切筋成型和成品测试，每道工艺均至少需要1-2设备完成。 背面减薄（减薄机）：通常在集成电路封装前，需要对晶圆背面多余的基体材料去除一定的厚度，这一过程称之为晶圆背面减薄工艺，对应装备是晶圆减薄机。 晶圆切割（划片机）：一片晶圆通常由几百至数万颗小芯片组成，大部分晶圆上的小芯片之间有着40微米至100微米不等的间隙，将这些小芯片进行切割分离的工艺过程叫做晶圆切割，使用到的设备称为划片机。 晶圆贴装（贴片机、固晶机）：由全自动机器拾取上面的die，用粘贴剂（导电银胶）粘贴在引线框架的基岛上，用高温加热一段时间，使die固定在基岛上。 引线键合（键合机）：将芯片表面的铝压点和引线框架上或是基座上电极内端(有时也称为引线柱)进行电气连接。 塑封（塑封机）：将完成引线键合的芯片和引线框架预热,然后将其置于压模机的封装模(模具)上,压膜机启动后关闭上下模,将半融化的树脂挤入模中,待树脂填充硬化后,开模取出成品。 激光打标（激光打标机）：根据订制的图案印在芯片上。 切筋成型（切筋成型设备）：铸模成型后的集成电路条带被放到管脚去边成型工具中,管脚加工成必要的形状,用于表面贴片(SMT)封装的L型脚和J型管脚,还有用于直插式的管脚。 成品检测（测试机）：工序段工艺描述:包括电气性能和外观检测。用到的测试设备昂贵,也是影响产能的主要因素。 图表12：传统封装工艺与设备 先进封装工艺是在原来传统封装工艺上更新或增加了部分工艺，对设备的要求更高。更新工艺部分，对于传统工艺的性能标准在提升，例如背面减薄的翘曲度更平整，晶圆切割的速度、精度更高等，几乎原有传统工艺都在进行升级，使用的设备也在升级。如前所述，增加工艺部分主要是五大基本工艺：光刻、溅射、电镀工艺、光刻胶去胶和金属刻蚀，其中需要用到的设备包括光刻机、PVD、CVD、电镀设备、涂胶显影设备、去胶机、刻蚀机、CMP、临时键合与解键合设备等。 图表13：TSV工艺及对应设备 2.先进封装带来设备需求增加 先进封装工艺使用了更多前道IC制造的工艺，对于封装设备的要求也更加高。 同时随着先进封装市场需求的快速增长，对于封装设备的需求也有望得到快速提升。 2.1先进封装占比稳步提升 根据集微咨询预测，2022年全球封装测试市场规模为815亿美元左右，汽车电子、人工智能、数据中心等应用领域的快速发展将推动全球封测市场持续高走，预计到2026年将达到961亿美元。2022年中国封测产业规模小幅增长，达到2995亿元。 由于目前市场依旧保持低迷，预计2026年中国封测市场规模将达到3248.4亿元。 图表14：全球/中国封测产业规模（亿美元） 目前全球先进封装市场以FC倒装芯片市场为主。根据Yole数据，预计2020-2026年2.5/3D堆叠，层压基板ED封装和扇出型封装的平均年复合增长率较大，分别为24%、25%和15%。未来部分封装技术在特定领域将会有进一步的渗透和发展，比如FO封装在手机、汽车、网络等领域会有较大增量空间；2.5D/3D封装在AI、HPC、数据中心、CIS、MEMS传感器等领域会有较大增量空间。 图表15：全球先进封装细分市场情况（亿美元） 中国先进封装市场具有较大发展空间。根据Yole、集微咨询数据，2022-2023年全球先进封装市场占比为47.2%、48.8%，中国先进封装市场占比为38%、39%。从结构上看，中国先进封装市场占比仍然落后全球市场。 图表16：全球封装市场结构 图表17：中国封装市场结构 从中国大陆本土封测企业的主要封测技术来看，目前仍然以传统封装为主，先进封装仅布局了Bumping、FC等工艺，2.5D/3D工艺的布局很少。对比全球市场，中国大陆对于先进封装的布局结构仍需改善。 图表18：2022年中国大陆本土封测企业营收TOP20 2.2封装设备需求逐步增加 根据SEMI数据，2020-2022年全球封装设备市场规模分别为38.5亿美元、71.7亿美元、57.8亿美元，预计2023/2024年达到45.9/53.4亿美元。 图表19：全球封装设备市场规模（十亿美元） 2.2.1传统：国产化率低，替代空间大 2020年各类设备的市场占比情况如下：贴片机市场占30%，引线机市场约占23%，划片和检测设备占总市场份额的28%，切筋与塑封设备占比18%，电镀设备在封装设备行业中占比最小，大约在1%左右。 从国产化率来看，2017至2021年中国大陆封装设备国产化率提升较慢，仅从1%提升至3%，其中引线键合、贴片机、划片机国产率提升均较慢，替代空间较大。 图表20：2020年半导体封装设备市场细分占比 图表21：2017/2021年中国大陆封装设备国产化率 2.2.2先进：前道技术后移，有望率先替代 前道制造设备国产率提升较快，技术下沉有望率先替代先进封装部分工艺。从半导体设备国产替代进度来看，去胶设备国产化率最高，超过90%；清洗设备、刻蚀设备、热处理设备、PVD设备、CMP设备等国产率均在10%以上；光刻设备及涂胶显影设备替代率较低，但是目前进展较为顺利，预计将有零的突破。前道制造设备制程以纳米级为主，后道封装设备以微米级为主，前道量产设备技术下沉能够覆盖微米级封装设备需求。 图表22：国内前道设备国产率情况 2.3相关标的 先进封装设备企业：芯源微、盛美上海、中微公司、华