先进封装设备专家沙龙20240607

先进封装设备专家沙龙 封装设备领域目前备受瞩目，与我们对半导体产业链的认知相符。自2018年起，国内对半导体行业的关注从设计端开始，逐步延伸至制造、封装及设备环节。最初，设备 因其可见性而受到关注，众多设计公司开始露头角。随着制裁的升级，制造工艺成为焦点。 到了2020年至2021年间，尤其是AI技术的爆发，摩尔定理面临极限，先进封装 技术的价值逐渐提升。在这一背景下，支持制造和封装的设备变得尤为关键。封装环节的重要性，根本上源于摩尔定理的极限。去年AIGC的爆发对算力提出了巨大需求，从ChatGPT到ChatGPT5，算力提升了几十万倍。在这种情况下，摩尔定律的延伸变得困难 。 为了解决这一问题，我们采用了先进封装技术如CoWos。通过堆叠技术，从体积方面增加晶体管数量，从而提升算力。2.5D堆叠技术通过在体积空间增加数量来满足算力需求。从最早的只有9颗芯片，到现在的MI300或H100中可能有50-70个芯片，一个封 装体内有足够多的晶体管数量来提升算力。这种提升并非依赖新工艺制程的演进，而是通过堆叠足够多的数量来实现。 先进封装的重要性逐渐凸显，关键在于如何实现它。去年CoWos产能不足引发了市场焦虑，核心问题在于设备。更先进的工艺需要新一代的设备。传统封装与先进封装的 区别在于连接方式的变化。传统封装依赖wirebond技术进行电芯片与外部电路的连接，而先进封装则通过凸点或通路等新方式实现连接。 在传统封装流程中，晶圆经过减薄、划片、通过diebonder（贴片机）贴装到引线框架 、引线键合、塑封、切割成型和打标等步骤。先进封装在此基础上进行了关键变 化，如采用铜柱bump的倒装技术，省去了打线步骤。此外，先进封装还需进行RDL制作 ，相当于在塑封后增加一个转接层，将线路引到基板上，这涉及到前道布线设备如电镀和刻蚀设备。 在价值量方面，传统封装与先进封装在减薄划片、引线机和贴片机等方面有所重叠。 贴片机在设备中的价值最高，约占30%，因为它决定了封装形式的变化。随着先进封装占比的增加，贴片机的价值逐渐提升。引线键合在传统封装中占20%多，但随着先进封装的兴起，其占比逐年下降。划片机的占比相对稳定，约为25%-26%。 先进封装中，贴片机的重要性尤为突出。贴片机的摆放精度决定了工艺的可能性。传统封装中，贴片精度只需50微米甚至70微米。而倒装时，由于铜柱bump的尺寸限制，摆放精度误差需控制在10%以内，即15微米到10微米。随着工艺的发展，晶圆级封装和fanout工艺对贴片机的精度要求更高，需达到3-5微米。2.5D封装 和HBM封装要求贴片精度小于3微米，混合键合工艺则要求精度小于1微米，即2 00纳米。先进封装技术的发展推动了贴片设备的演进，类似于光刻机的进步推动了制程的缩小。HBM目前面临的瓶颈在于GCD效率不足，需要混合键合设备的支持。混合键合设备产 能不足，因为这是一种新兴技术。CoWos产能不足的一个重要原因也是混合键合的供应不足。设备成为支撑产业发展的瓶颈。 先进封装还增加了前道图像化工艺，如RDL布线，类似于前道的光刻、涂胶显影、刻蚀、电镀和PVD等工艺。此外，堆叠技术还涉及到打孔和钻孔工艺。先进封装相较于传统封装，增加了贴片精度、前道工艺和打孔技术三部分内容。 板级封装作为一种新兴技术，对设备提出了新的要求。与传统的单颗封装或晶圆级封 装不同，板级封装采用大尺寸面板进行封装，需要更大尺寸的贴片设备、molding设备和光刻设备。板级封装的效率较高，因为它可以在一个700*750毫米的面板上同时封装10 万颗芯片。这将大幅降低成本，可能使板级封装的成本比传统封装低50%甚至60%，从而产生替代效应。 英特尔、Starlink和特斯拉等公司正在推出采用板级封装的高算力芯片。板级封装最适合用于玻璃基板，因为玻璃是方形的，而晶圆是圆形的。未来的趋势是在玻璃上进行 封装，这需要相应的设备支持。 每个环节的价值分析显示，从划片机开始，市场已经形成了稳定的格局。DISCO等公司占据了划片机市场的主要份额。国产化率相对较低，整个封装赛道的国产化率不足 10%。技术门槛和成本门槛是制约国内厂商发展的主要因素。国内厂商在追赶过程中面临严峻挑战 ，需要突破技术和成本的双重门槛。 接下来是我们非常关注的HBM和CoWos工艺。本质上，无论是HBM还是CoW os，它们都是一种堆叠工艺。首先，在芯片上增加钻孔，随后进行相应的刻蚀、电镀等工艺步骤。钻孔完成后，就是摆放过程，例如HBM，可能需要摆放8层、12层甚至16层 。这一过程需要精密的贴片机来完成，贴片机可以采用两种方式：一种是TCB，另一种是混合键合。 为什么在多层堆叠时需要TCB呢？这是因为基材和芯片之间存在热膨胀系数的差异。每次堆叠键合后，如果进行热键合，就可能发生翘曲。堆叠层数越多，热工序越多， 翘曲就越明显。为了防止翘曲，就需要施加很大的压力来保证平整度。但这对精度和 良率要求非常高。例如TCB工艺，除了要求设备精度达到2微米以下，还需要施加几百牛顿的压力。如果任何一道工艺出现微小的不平等性，在这样大的压力下，就可能 导致芯片碎裂，这使得整体的良率和效率不是很高。 混合键合的要求更为复杂。我们知道HBM堆叠是有厚度的。比如一个芯片减薄到50微米的厚度，如果堆叠8层，整体厚度就超过400微米，非常厚。如果堆叠到12层或16 层，可能就超过1毫米的厚度。这种情况下，只能通过新的方式，即去除bump的空间 ，采用铜-铜直接连接的方式，在芯片上镀一层铜，通过铜连接起来，实现减薄。这就产生了混合键合工艺，它的优势在于可以做不同的工艺，实现高密度连接，对传 输效率有显著影响。 以CoWos为例，为了增加传输效率，可以通过混合键合增加更多的触点来提高效率和性能。最后，如何追赶这一进程是一个核心问题。半导体发展无论在国内还是海外，都遵循 一个逻辑：设备与工艺紧密结合。任何一个工艺的产生，都需要长时间的准备和积 累。例如台积电的CoWos工艺，是在14年前开始的，中间有七八年的时间在准备。在工艺开发时，会联合设备厂商、材料商以及终端客户，共同积累技术。设备的发展 50%依赖于设备厂商对设备本身的理解，包括控制、机械以及物理化学变化的理解，另外50%来自于客户给予的工艺know-how的积累半导体发展遵循设备与工艺紧密结合的逻辑。头 部客户引领设备发展趋势，而跟随者面临缺乏工艺带动性的挑战，不知道“我做成这个样子，我为什么要做成这样子？我需要做什么调整？”，“knowhow”上的东西很难摸索。国内厂商在技术上普遍落后国外5-6年，国内厂商需要克服与海外工艺水平的差距，寻找工艺结合点，避免陷入低端竞争的格局。国际化合作是提升自主 能力的重要途径。 Q&A□混合键合技术的价值量□混合键合技术因其实施方式不同而价值量有所区别。wafertowafer方式较为成熟，市场主要由EVG和苏斯两家公司主导，由于竞争有限，导 致市场价格较高。而dietodie方式，尤其是支持CoWos工艺的，目前已经开 始批量供货，并且因为设备新颖且精度最高，所以单体价值量最高。此外，TCB技术的价值量也位于百万美金区间，晶圆级封装的价格介于70万到100万美金之间，而倒装设备的价位 则在40-50万美金左右。 国内外技术差距及追赶时间□国内外在封装技术上的差距主要体现在工艺流程和设备KNOW-HOW的积累上。目前，海外企业在这些方面处于领先地位，国内与海外的差距大约5-6年。要追 赶这一差距，国内企业需要与能够成熟进行该工艺的企业（如日月光、台积电、矽品）合作，共同打磨设备，以实现与工艺的完美匹配。如果国内厂商能够与国际大厂如日月光、台积电等合作，追赶时间可能会缩短。 板级封装的市场规模、需求和供应商问题□传统wirebond封装的市场规模大约在200 -300亿美金左右。由于板级封装的成本比wirebond低50%，预计将会有大量的 替换需求。这一替换过程可能持续十年或更久，累计替换量可能达到十万台。单台板级封装设备的价值大约在70万到100万美金。目前市场需求正在增长，海外已经开始量产，具有成本和性 能上的优势。 封装技术发展和成本问题□板级封装技术自诞生至今已有约20年的历史。新技术从出现到成熟，不仅涉及工艺问题，还涉及各种设备。例如，晶圆尺寸从两寸发展到18寸，相应的前道和后道 封装工艺也随之发展。板级fanout后道封装是基于晶圆工艺的大架构。早期，大家主要关 注晶圆的发展，而板级封装是在小批量生产中尝试的一种设想。真正从实验室走向工业化，是近十年的事情。随着工艺的成熟，贴片效率提高，可以处理更大尺寸的芯片和基板。过去因为设备限制，无法实现高效率，成本也难以降低。但近年来，随着技术的进步，大尺寸布线设备的发展，以及解决贴片翘曲问题等，板级封装技术的成本得以降低。 供应商情况□在贴片机供应商方面，华丰科技是全球批量供货的公司之一，其设备被用于特斯拉生产芯片。PEP作为新加坡公司，虽然起步较早，但在性能上可能略逊一筹，这也是华丰科技后来居 上的原因之一。其他公司也在做一些改进，但他们主要处理300-400尺寸的板，这限制了 他们实现更好的经济效应。至于光刻设备供应商，面板企业由于有布线需求，通常拥有满足需求的光刻设备。 倒装贴片和回流焊工艺□在传统的倒装贴片过程中，首先会有一个简单的稳固过程，芯片和锡帽、锡球虽然粘附但并不十分牢固。随后进入回流焊过程，通过高温程序使芯片牢固。回流焊效率很高，一个炉子可以同时处理许多芯片，通常情况下，一台回流焊机会配合三四台贴片机以保证效率。英特尔 此前用的技术是回流焊，而由于基板和硅的膨胀系数不一样，所以会发生翘曲。而热压焊能通过“压”将翘曲压下去，但热压焊的弊端是其需要再“压”的过程中停留一段时间，这使得工艺时间比较长，所以比较适合像CPU这种价值量比较高的芯片。而在HBM中，同样有翘的问题，其也需要 解决翘曲的问题。所以HBM会利用热压焊将芯片贴上去，再通过回流焊去做导电填充。热压焊的 精度会比回流焊高。海力士的贴片机可能主要还是用韩国的厂商，他们能用韩国的，就不用外国的。后道设备毛利率问题□后道设备的毛利率相对较低，这主要是因为后道设备往往走量，如划片机和wirebond设备，它们可能一次购买数十台甚至数百台。由于这些设备的单体价值没有前端设备 那么高，因此毛利较低。随着封装工艺的不断延伸和竞争，供应商被迫降低价格以优化成本。然而 ，对于先进封装来说，随着工艺的提升，一些关键产品的毛利率有所提升，例如besi的混合键合设备毛利率非常高。 国内封装设备厂商进展□在划片机领域，光力和迈为有所进展，特别是光力通过收购以色列企业，获得了海外技术，这为其提升能力和市场份额提供了优势。在固晶机领域，新益昌在LED领域表 现突出，但在半导体领域仍需加强。华丰科技在板级封装设备领域具有优势，已经在ASE、ST、美光等头部客户中批量采用。晶圆级封装都是日月光的独家供应，唯一与其竞争的就是besi□先进封装设备与制程的关系□先进封装设备与制程之间并没有必然的联系。例如，即使是28纳米以上的制程，也可以使用板级封装来降低成本。而对于14纳米、5纳米、7纳米等高制程 芯片，它们一定会采用先进封装来充分发挥其性能。但是，先进封装的工艺并不一定与制程工艺的先进程度直接相关。例如，CoWos工艺可以适用于7纳米到3纳米的不同制程芯片，所 用的设备和工艺路线并没有本质的区别。