半导体：先进封装助力芯片性能突破，AI浪潮催化产业链成长

证券研究报告|行业深度 电子 2024年09月06日 半导体 先进封装助力芯片性能突破， AI浪潮催化产业链成长 优于大市（维持） 证券分析师 投资要点： 陈蓉芳 资格编号：S0120522060001 邮箱：chenrf＠tebon.com.cn陈瑜熙 资格编号：S0120524010003 邮箱：chenyx5＠tebon.com.cn 先进封装：超越摩尔定律，助力芯片性能突破 “后摩尔时代”芯片特征尺寸已接近物理尺寸极限，通过先进封装提升芯片整体性能或成为趋势。先进封装具有小型化、轻薄化、高密度、低功耗、功能集成的优势，可广泛应用于AI、高性能计算、数据中心等新兴领域。先进封装包括四个关键要素：凸块（Bump）、晶圆（Wafer）、重布线层（RDL）和硅通孔（TSV）技术：Bump联通芯片与外部的电路，并能缓解应力；Wafer充当集成电路的载体；RDL连通XY平面的上电路；TSV则贯通z轴方向上的电路。 12% 6% 0% -6% -12% -18% 市场表现 半导体沪深300 CoWoS和HBM：相辅相成，AI芯片的绝佳拍档 1）CoWoS：AI时代的先进封装版本答案。算力需求随大模型推出爆炸式提升， GPU等AI芯片深度受益。搭载硅中介层的CoWoS封装性能优异，适用于高性能 -24%2023-092024-012024-05 -31% -37% 资料来源：聚源数据，德邦研究所 相关研究 1.《2024年中期报告点评-安路科技 （688107.SH）：终端需求疲软24Q2业绩承压，库存持续改善静待春来》，2024.9.2 2《.寒武纪(688256.SH)：产品与生态 计算领域，目前已演进五代，不断增加其中介层面积以及内存容量（HBM）。随 CoWoS封装供不应求，台积电不断上修产能预计，2024年底或达到月产4万片。三星和英特尔已完成2.5D/3D封装布局，传统封测大厂加速进入CoWoS工艺段。 2）HBM：AI芯片的最佳显存方案。HBM堆叠多层DRAM提升内存容量和带宽，打破内存墙限制，满足AI高性能动态存储需求。SK海力士官网、三星和美光竞争愈演愈烈，HBM向更大容量和更高带宽迭代，2024年下半年HBM3e预计将集中 出货。随AI服务器出货暴涨以及GPU芯片的HBM用量提升，HBM需求高增。 TrendForce预测，2024年HBM需求增长率接近200%，2025年可望将再翻倍。 本土先进封装产业链：厚积薄发、加速成长 持续加强，AI应用方兴未艾》， 2024.9.1 3《.拓荆科技(688072.SH)：出货大幅增长，产品覆盖度持续提升》，2024.8.30 4《.伟测科技(688372.SH)：单季度营 1）刻不容缓：海外高性能芯片管制加强，AI芯片自主可控大势所趋。美国对高性能芯片出口限制不断加强，英伟达先进GPU芯片供应受阻。中国智能算力市场需求旺盛，2018-2023年数据中心机架数量CAGR达30%，发展AI芯片自主可控 为大势所趋，国产AI芯片亟待突破放量。此外，集成工艺可助力芯片跨越1-2个制程工艺节点，在高端光刻机封禁下先进封装有望助力“弯道超车”。 收创新高，持续拓展高端测试》， 2024.8.30 5.《东芯股份(688110.SH)：Q2收入环比大幅增长，布局“存、算、联一体化”》，2024.8.30 2）提前布局：国产封测大厂打开成长空间。以长电科技、通富微电、华天科技等为代表的国内封测龙头深耕先进封装工艺，积极布局海外业务，现已具备较强的市场竞争力。此外国产HBM稳步推进，据Trendforce报道，国内存储厂商武汉新芯 （XMC）和长鑫存储（CXMT）正处于HBM制造的早期阶段，目标2026年量产。 3）未来可期：本土相关设备/材料有望受益。先进封装工艺升级，对封装设备的精度和用量提出更高要求，相关材料深度受益。设备方面建议关注：新益昌（固晶机）、华海清科（减薄机）、光力科技（划片机）、拓荆科技（混合键合机）；材料方面建议关注：鼎龙股份（PSPI）、飞凯材料（临时键合胶）、艾森股份（电镀液）、华海 诚科（环氧塑封材料）。 风险提示：中美贸易摩擦带来的供应链风险、宏观经济变化及行业景气度不及预期、行业政策变化。 请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明 内容目录 1.先进封装：超越摩尔定律，助力芯片性能突破6 1.1.半导体封装所属集成电路后道工艺，封装工艺持续优化提升6 1.2.四大要素助力先进封装提质增效、系统集成9 1.2.1.倒装（FlipChip）与凸块（Bump）11 1.2.2.RDL（重布线层）12 1.2.3.WLP（晶圆级封装）13 1.2.4.2.5D/3D封装与TSV技术14 2.CoWoS和HBM：相辅相成，AI芯片的绝佳搭档16 2.1.CoWoS：AI时代的先进封装版本答案16 2.1.1.AIGPU强需求，先进封装进入算力时代大赛道16 2.1.2.台积电CoWoS性能优异，AI芯片应用匹配度高17 2.1.1.CoWoS供不应求，传统封装大厂加速入局相关工艺端21 2.2.HBM：AI芯片的最佳显存方案，市场需求高涨22 2.2.1.HBM缓解内存墙问题，满足AI高性能动态存储需求22 2.2.2.从HBM1到HBM3E性能倍增，三大厂竞争亦越演愈烈24 2.2.3.HBM单位价格远高于传统存储器，AI服务器需求猛增有望拉动出货26 3.本土先进封装产业链：厚积薄发、加速成长29 3.1.刻不容缓：海外高性能芯片管制加强，AI芯片自主可控大势所趋29 3.2.提前布局：国产封装大厂打开成长空间32 3.3.未来可期：本土先进封装相关设备/材料有望受益34 3.3.1.先进封装工艺流程提出更高要求34 3.3.2.建议关注配套设备国产厂商：38 4.建议关注45 5.风险提示45 图表目录 图1：封装所属集成电路产业后道6 图2：半导体封装等级7 图3：半导体封装的内部和外部结构7 图4：决定封装类型的三要素：内部结构、外部结构和贴装7 图5：芯片I/O增速仅为晶体管增速的一半8 图6：封装引线节距和封装效率的演化8 图7：集成电路进入后摩尔时代，先进封装提升整体性能9 图8：先进封装应用场景丰富10 图9：全球先进封装细分市场规模（亿美元）10 图10：先进封装四要素10 图11：倒装示意图11 图12：倒装键合的信号传输相比引线键合更近更快11 图13：采用RDL技术地芯片与剖面图12 图14：RDL层重排布线，扩展I/O触点12 图15：与传统封装线切割后封装不同，WLP先封装再切割13 图16：晶圆级封装显著缩小封装面积13 图17：扇入型和扇出型WLP对比13 图18：FIWLP、FOWLP和InFO（集成Fan-Out）13 图19：晶圆级封装及面板级封装芯片占用面积比14 图20：面板级封装成本与晶圆级封装相比降低66%14 图21：大语言模型参数规模呈现“指数级”增长16 图22：参数规模已突破万亿16 图23：中国2022年AI芯片市场占比17 图24：24Q1英伟达独立（discrete）GPU份额达88%17 图25：CoWoS示意图17 图26：台积电三种CoWoS封装结构19 图27：台积电3DFabric先进封装产品矩阵涵盖CoWoS、InFO和SoIC等20 图28：台积电、英特尔、三星的2.5D/3D封装布局20 图29：CPU与存储器发展趋势22 图30：训练不同神经网络模型所需的内存量22 图31：HBM堆叠DRAM结构23 图32：HBM1（JESD235标准）23 图33：HBM堆叠结构可提升总带宽23 图34：HBM2较GDDR5单引脚I/O带宽功耗降低42%23 图35：HBM竞争格局（2022年和2024年）24 图36：HBM不同世代占比变化（2022-2024年）24 图37：SK海力士官网、三星和美光的HBM路线图25 图38：各类HBM以及常规DRAM每GB平均价格（美元）27 图39：各类HBM的平均价格（美元）27 图40：GPU中HBM提供存储，HBM中多层DRAM颗粒堆叠27 图41：多个GPU组成服务器27 图42：中国智能算规模及预测，2019-2026（百亿亿次浮点运算/秒，EFLOPS）30 图43：国内封测大厂为海外客户提供封测服务营收占比33 图44：IC制造和封测流程34 图45：先进封装产业链所属签到晶圆制造合后道封测之间35 图46：电镀焊料凸块的工艺流程36 图47：基于RDL工艺晶圆级封装工艺流程37 图48：制造TSV的通用流程原理图38 图49：制造TSV三种工艺流程38 图50：新益昌全自动平面固晶机HAD81039 图51：2024年全球固晶机应用领域份额（%）39 图52：晶圆减薄40 图53：华海清科Versatile-GP300减薄抛光一体机40 图54：光力科技12英寸双轴全自动划片机823040 图55：刀片切割原理图40 图56：混合键合与传统Bump技术对比41 图57：晶圆键合设备应用示意图41 图58：光敏聚酰亚胺图案化工艺41 图59：PSPI全球市场规模（2023-2030年CAGR约17.94%）41 图60：全球临时键合胶市场规模（2023-2029年CAGR为8.2%）42 图61：热滑移解键合工艺流程图42 图62：晶圆凸块（Bumping）镀铜工艺拉动电镀液需求43 图63：电镀液广泛应用于晶圆硅通孔（TSV）镀铜工艺43 表1：从传统封装走向先进封装，历经五个阶段8 表2：传统封装与先进封装的对比9 表3：先进封装四要素对比10 表4：Bump结构对比11 表5：RDL技术优势12 表6：头部封测厂RDL现有技术对比12 表7：2.5D封装和3D封装技术分类15 表8：CoWoS封装的技术优势18 表9：CoWoS世代演进：HBM组合数量增加，中阶层面积增大（CoWoSGen6：单个12英寸晶圆实际只能得到9个硅中阶层）18 表10：联电、力成、日月光等厂商已加速入局CoW或WoS工艺段。21 表11：HBM与GDDR引脚及带宽对比24 表12：HBM模块开发路线25 表13：主流AI芯片相关HBM性能和用量26 表14：HBM市场需求测算（以AI服务器为例）28 表15：AI芯片性能和美国禁令情况分析29 表16：部分国产AI芯片30 表17：2023年全球委外封测前十大企业营收额排名32 表18：中国大陆本土封测厂先进封装布局33 表19：先进封装芯片级封装工艺所需主要设备35 表20：塑封及后续工艺所需的主要设备35 表21：先进封装晶圆级工艺所需主要设备36 表22：不同阶段对环氧塑封材料要求43 1.先进封装：超越摩尔定律，助力芯片性能突破 1.1.半导体封装所属集成电路后道工艺，封装工艺持续优化提升 封装所属集成电路产业链后道，起着安防、固定、密封、保护芯片，以及确保电路性能和热保护等作用。封装测试环节所属集成电路产业链后道，主要是指 安装集成电路的外壳的过程，包括将制备合格的芯片、元件等装配到载体上，采用适当的连接技术形成电气连接并构成有效组件。常规封装主要是用引线框架承 载芯片的封装形式，具有四大功能：①芯片机械支撑和环境保护、②接通电源、 ③引出信号线和接地线、④芯片热通路。先进封装引脚以面阵列引出,承载芯片大都采用高性能多层基板，在原有四大功能的基础上,更肩负了提高芯片规模、扩展芯片功能和提高可靠性的作用。 图1：封装所属集成电路产业后道 资料来源：SK海力士官网，德邦研究所 电子封装技术覆盖四个等级，集成电路的封装主要是指其中的一级封装和二级封装，即芯片级封装和外联PCB板。 零级封装（切割晶圆）：从晶圆片上切割得到芯片。 一级封装（芯片级封装）：将芯片固定在封装基板或引线框架上，将芯片的焊盘与封装基板或引线框架内的引脚互连，并对芯片和互连进行保护性包封。 二级封装（外联PCB板）：将一级封装和其他电子元件安装在PCB（硬质