物理极限迫近成本开支剧增,集成电路微缩趋缓:7纳米制程节点之后,短沟道和量子隧穿效应引发漏电、发热现象严重影响芯片性能。同时,DUV光刻机精度受制于光源的波长达到极限,EUV光刻机最高售价3亿美元每台; 2纳米芯片电路图设计成本为每套7.25亿美元;5万片月产能的2纳米制程晶圆厂投资成本高达约270亿美元。技术和成本压力下,集成电路微缩化进度放缓。 先进封装产线扩产,封装设备需求旺盛:光刻设备进口受限,国产化也尚需时日。国内先进制程研发扩产受制于光刻瓶颈,先进封装成为现阶段国内集成电路产业提升芯片性能的关键技术。通富微电、长电科技、华天科技、盛合晶微等企业为满足国内的需求,与晶圆厂和设计企业等上下游密切合作,布局先进封装产线,需采购大量封装设备。 封装设备市场规模大,进口依赖较严重:据SEMI统计2021年全球封装设备市场规模71.7亿美元,2022-2023年受半导体景气周期影响,封装设备采购回落,2024年有望恢复增长。2021年中国大陆传统封装设备进口总金额高达约216亿元,对于新加坡、日本、马来西亚设备的依赖较大。 各类国产封装设备企业齐发力:封装设备包括传统的引线键合机、减薄机、贴片机(固晶机)、划片机、塑封切筋机等;先进封装设备包括硅通孔刻蚀机,晶圆键合机、封装光刻机、电镀沉积设备等。与前道制造设备相比,封装设备技术壁垒较低,进口受限很少,但是仍存在未来海外限制加码的风险。 投资建议:建议关注新益昌、芯碁微装、赛腾股份、文一科技、光力科技、奥特维等封装设备企业,与拓荆科技、芯源微、华海清科、中微公司、北方华创等前道与后道封装同时布局的企业。 风险提示:封装设备需求不及预期;封装设备技术研发不及预期;行业竞争加剧 表1:重点公司投资评级: 全球集成电路封装技术共经历了五个发展阶段,不断朝小型化、I/O数量增加、集成化方向发展。早期三种传统封装方式包括通孔插转型封装(QFN、QFP)、表面贴装型封装(SOP、SOT)、现阶段广泛采用的芯片级封装(CSP)和球栅阵列封装(BGA)。包括倒装焊封装(Flip Chip)、三维立体封装(3DIC)、系统级封装(SiP)在内的第四/五代封装方式,被视为先进封装。 1.2封装测试市场:与半导体产业共同发展壮大,先进封装占比提升 作为从晶圆制造到成品芯片的关键环节,随着全球半导体产业的发展,封装测试的市场规模不断扩大。据Yole统计和预估:2019年全球封装测试市场规模为675亿美元,2022年达到815亿美元,2026年将上升至961亿美元;中国大陆的封装测试市场由2019年的2350亿元,上升至2022年的2996亿元,在短暂调整之后2026年有望达到3248亿元的规模。 全球维度,规模最大封装测试企业为日月光(中国台湾),安靠(美国),长电科技(中国大陆),通富微电(中国大陆),力成科技(中国台湾)。据Yole统计和预估:先进封装在全球封装市场中的整体占比,2022年约为47%;中国大陆先进封装起步较晚,2014年先进封装占比25%,这一比例2024年有望提升至39%;2026年全球先进封装市场规模有望首次超越传统封装。 前道制造晶圆厂很少直接参与传统后道封装环节;但是随着先进封装技术的不断推广,刻蚀、沉积、光刻、键合、清洗等工艺在先进封装环节得到广泛运用,逐渐形成了中道工艺。中道工艺的精度低于同期的前道晶圆制造工艺,但显著高于传统的后道封装;由于中道制程工艺原理与前道制程工艺存在大量相通之处,台积电、三星、海力士等晶圆制造企业开始与下游封测厂商密切合作,深度介入先进封装流程。部分前道设备企业开始积极布局中道先进封装设备。 与传统封装设备相比,先进封装设备单价更高,供应商多为半导体前道设备制造商,客户包括涉足先进封装业务的晶圆厂(FAB)与原有的封装企业(OSAT)。 Yole估计,2021至2023E,包括晶圆厂在内的前9大封装企业,其资本开支规模合计约为134/145/119亿美元。2023年全球先进封装领域合计资本开支为约97亿美元,台积电(TSMC)英特尔(intel),三星(samsung)为投资主力。资本与实力更为雄厚的晶圆厂大举投资先进封装领域,推动了封装设备整体的市场规模快速增长。 固晶机(贴片机)由取料结构、推料结构、点胶结构、点胶平台、摆臂、固晶平台、找晶平台、夹具、出料结构等几部分组成,可通过定位、对准、倒装、连续贴装等步骤,通过银胶将芯片(Die)粘接到基板、载体或封装好的封装体上,并保证芯片之间的电连接、热传导和机械强度。固晶机服务下游LED、逻辑芯片、分立器件、存储芯片等行业的等行业;高精度(固晶机)成本占先进封装设备产线总体成本的30%-40%,是先进封装的核心设备。 华封科技(未上市)是国内高端贴片机领军企业,其产品最高精度为3微米,对先进封装贴片工艺实现了全面覆盖,已获得日月光、矽品、NEPES、通富等多个头部厂商大量复购订单。新益昌是国内LED固晶设备龙头厂商,产品也用于半导体领域的DFN/QFN型封装。2018年整体市占率6%,在LED固晶机全球市场份额为28%。 其他固晶机企业包括深科达、凯格精机、普莱信、猎奇智能、江苏佑光、快克智能、博众精工、微见智能等。 2023年全球半导体塑封机4.34亿美元,LP information预计2030年达到8.77亿美元,2024-2030年间的CAGR为10.6%。中国大陆2021年半导体塑封机进口金额约11.2亿元,2022年回落至约9亿元。日本TOWA、YAMADA两家公司占据全球半导体塑封设备绝大多数市场。 塑封设备分为注塑型和圧缩成型两种,注塑工艺通过流道和浇口将树脂注入成型腔再固化,应用于较传统的引线框架(LeadFrame)、电子控制单元(ECU)、电源模块(Power moudle)封装。圧缩成型工艺是将液态树脂或颗粒状树脂放入型腔,在树脂熔融状态下将集成电路浸入树脂进行成形封装;此种方法对树脂的利用率接近100%,树脂流动对芯片和金线的影响可降至最低,可实现超大超薄型基板的封装和晶圆级封装。圧缩成型工艺广泛用于3D NAND闪存、处理器等封装过程中。 划片机市场规模伴随着先进封装产业和半导体行业的发展,快速扩张。QYresearch估计2018/2023E/2029E年的全球划片机市场规模为11.75/19.10/25.18亿美元。 2022年中国市场规模为10.98亿美元,约占全球的63.67%;博捷芯预计中国市场2029年将达到16.21亿美元,届时全球占比将达到64.34%。 海外划片机龙头为日本Disco和东京精密。光力科技、和研科技、京创先进在光电等泛半导体切割划片领域基本实现了国产替代,正发力集成电路半导体用划片机。国内其他划片机生产商包括艾凯瑞斯、蓝瑟半导体、博捷芯、汉为科技。 引线键合的键合质量直接影响器件性能,目前常用的键合线有铝线、金线、银线、铜线、铝带、铜片和铝包铜线等。金线早期渗透率较高,但因成本较高,且容易造成塌丝、拖尾和老化现象,适用于小电流产品。铜线成本远低于金线,机械强度高,焊接后线弧具有良好的稳定性,适用于大电流应用,但是容易发生氧化,键合过程需要气体保护,键合点容易开裂。铝线在通过大电流时发热效应小,因此当前对于半导体大功率器件,通常采用高纯粗铝线键合。 引线键合机市场集中度高,海外厂商规模优势显著。作为封装设备的核心环节,引线键合机长期被美国库力索法(Kulicke & Soffa)与ASM Pacific垄断,两家全球市占率超80%,其中库力索法(Kulicke & Soffa)市占率超60%。2021年引线键合设备国产化率仅3%。 晶圆背面减薄时,硅化合物会向四周扩散,晶圆也可能因外力而破裂或翘曲,且晶圆面积越大越容易受到影响。故在背面研磨之前,通常需要在晶圆正面贴上一条薄薄的紫外线(UV)蓝膜用于保护晶圆。在背面研磨减薄后,晶圆上的胶带膜层应通过紫外线照射降低粘合力,从而将其剥离。 为满足国内先进封装企业的需求,国内企业积极布局晶圆减薄设备。华海清科于2020年独立承担减薄相关的国家级重大专项课题,2022年实现关键突破。其减薄机可稳定实现12英寸晶圆片内磨削总厚度变化<1um和减薄工艺,已实现量产机台出货。电科装备旗下北京中电科的8-12寸系列减薄机,截止2023年9月发货突破百台,通过产业应用端的认可。 临时键合由于可以解键合,具备更高的灵活性。最常见的临时键合是使用键合胶将晶圆与载片粘合,随后进行减薄等晶圆背面工艺后,最后用机械法、化学溶剂、激光法解键合,3.5段落减薄工艺中已有部分描述。 永久键合:键合技术通过化学和物理方法将同质或异质的晶片紧密地结合,晶片接合界面的原子受到外力(范德华力、分子力、原子力)的作用而产生反应形成共价键,使接合界面达到特定的键合强度从而永久结合。先进封装用永久键合设备通常采用混合键合技术,即同时存在导体(铜)与电介质(二氧化硅)的结合。 上海微电子首台先进封装光刻机产品SSB500/10A于2009年9月交付用户,2012年封装光刻机首次发运海外客户。2022年,上海微电子成功推出了中国首台2.5D/3D先进封装光刻机,并交付给客户使用,填补了国内在2.5D/3D先进封装光刻机领域的空白。芯碁微装首台WLP2000晶圆级封装直写光刻机2022年9月发运至昆山某封测厂;当月另一台WLP2000直写光刻机也已发往成都某Micro-LED研制单位交付。 3.8硅通孔设备:多层互连关键,北方华创/中微公司进展显著 硅通孔刻(Through-Silicon Via即TSV)是穿过硅基板(晶圆或芯片)的先进封装技术。TSV技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充,实现硅通孔的垂直电气互联。相比于传统的引线键合或微凸点技术,TSV技术能大大缩减信号传输的距离,从而降低信号延迟。TSV技术在2.5D/3D封装中被大规模应用,使芯片和封装基板之间和不同芯片之间,拥有更高的互连密度和更快的通讯速度。 硅通孔位置 据来源:Semiwiki,财通证券研究所 与前道制程用刻蚀机相比,制作硅通孔的刻蚀机精度稍低,一般为微米级别;但是硅通孔刻蚀机在刻蚀速率、深宽比、刻蚀形貌、均匀性、选择比等方面具有严苛的要求,国内仅少数企业具备量产能力。 中微公司的Primo TSV刻蚀机在全球范围内已取得较大市场份额。北方华创于2020推出TSV深硅刻蚀机PSE V300,其性能达到国际主流水平,2023年6月已累计实现销售100腔。 拓荆科技的PF-300T Astra设备,微导纳米的iTomic设备,可用于硅通孔中介质层的沉积。北方华创的PVD设备用于硅通孔种子金属层/阻挡层沉积;盛美上海公司的电镀机可用于TSV金属电镀工艺。 全球范围内,TSV介质层的CVD沉积设备主要由AMAT/LAM/SPTS(KLA)等公司提供;PVD/电镀设备主要由AMAT/SPTS(KLA)等公司提供。 KLA-Tencor、Rudolph、Camtek等公司为先进封装量检测设备领域的传统优势企业。赛腾股份通过收购全球领先的晶圆检测设备供应商日本OPTIMA涉足晶圆检测装备领域,部分产品具备晶圆背面检测能力,可用于先进封装领域,三星为其优质客户。中科飞测的晶圆三维形貌量测设备、图形晶圆缺陷检测设备可用于先进封装领域,封装领域客户包括华天科技、通富微电、长电科技。 3.11其他设备 其他设备包括负责印刷助焊剂并放置锡球的植球机,负责对焊锡膏进行热处理,从而让贴装元器件和PCB焊盘通过焊锡膏合金可靠结合的回流焊炉(劲拓股份生产);负责切割引线框架分离芯片,并将外引脚压成预定形状的切筋成型机;负责在封装好的芯片顶部打印信息标示的激光打标机等。 4风险提示 封装设备需求不及预期:封装测试企业及晶圆厂的资本开支,决定封装设备的市场需求。2024年全球半导体市场景气度复苏存在不确定性,可能导致封装设备需求不及预期,拖累相关公司业绩。 封装设备技术研发不及预期:封装设备,尤