封装是半导体系作进程中的一个重要进程。在这个进程中,半导体芯片(或称为集成电路)被包裹在一个保护性的外壳中。这个外壳的首要功用是保护芯片免受物理和化学危害,例如避免芯片遭到湿润、尘土、温度改变等环境要素的影响。封装进程也触及到芯片与其它电子元件的衔接,例如经过引线或焊盘将芯片衔接到电路板上。
先进封装(Advanced Packaging)是指新式的、技能含量高的封装技能,它们旨在满意更高功用、更小尺度、更低功耗和更高集成度的需求。这些技能包含三维封装(3D Packaging)、晶片级封装(Chip Scale Packaging)、2.5D 和 3D 集成等。这些技能答应更严密的集成,能够前进电子设备的功用和功率功率,一同减小尺度和分量。因而,先进封装技能在许多高功用和小型化运用中,如移动设备、高功用核算和物联网,都有广泛的运用。
先进封装已成为将更多功用集成到各种设备(如手机和轿车)中的关键技能,它能在小空间内完结高设备密度,将电子、机械或半导体设备等多个设备组吞并封装成单一的电子设备。全球半导体先进封装商场估量在2021年至2029年期间以7.65%的复合年添加率(CAGR)添加,到2029年估量将超越616.9亿美元,较2021年的346.2亿美元有所添加。驱动这个商场添加的关键要素是半导体集成电路(IC)规划的杂乱性,以及越来越多的功用和特性被集成到消费电子设备中。
在轿车中集成半导体组件将推进全球半导体先进封装商场的添加。轿车电气化以及车辆主动化的需求添加正推进这个范畴的半导体商场。例如,半导体IC被用于轿车的多个功用,如气囊操控、GPS、防抱死刹车体系、显示屏、信息文娱体系、电动门窗、主动驾驶和碰撞检测技能等。此外,半导体封装技能估量将经过添加其操作功用、前进和坚持功用,一同下降包装总本钱,添加半导体产品的价值。这也发明了对各种消费电子产品高功用芯片的需求,然后添加了对用于智能手机和其他移动设备的3D和2.5D封装芯片的需求。
在我国,现在已装置了约142.5万个5G基站,全国范围内支撑了超越5亿的5G用户,这使其成为全球最大的网络。这个区域5G的快速展开估量将推进对5G设备的需求,然后添加对半导体封装的需求。
(1)通孔插装型(Through-Hole Mounting):这是半导体封装的最早阶段,首要用于前期的集成电路和半导体设备。在这个阶段,封装设备的引脚经过电路板的孔洞刺进,并经过焊接固定。这种封装类型的首要长处是其结构简略和安稳,但它的尺度大,无法习惯小型化和高密度的趋势。
(2)外表贴装型(Surface-Mount Technology,SMT):跟着电子设备尺度的缩小和功用的杂乱化,外表贴装技能开端被广泛运用。这种封装办法将半导体设备直接贴装到电路板外表,不再需求穿过电路板的孔洞。这种封装办法使得设备尺度能够更小,密度能够更高,且出产功率更高。
(3)球栅阵列型(Ball Grid Array,BGA):在半导体职业继续展开的进程中,球栅阵列封装技能应运而生。这种封装办法在设备的底部构成一个球状的引脚阵列,能够供给更多的衔接点,习惯了更杂乱的集成电路规划。BGA封装供给了更好的电热功用和信号完好性,被广泛运用在高功用的电子设备中。
(4)多芯片拼装(Multi-Chip Packaging,MCP):跟着电子设备功用的不断添加,多芯片封装技能开端被选用。这种封装技能能够在一个封装内部集成多个半导体芯片,然后完结更高的功用集成度。这种封装办法能够削减设备间的衔接长度,前进设备的功用和信号传输速度。
(5)立体结构型(3D Packaging):这是现在最先进的封装技能,它选用立体结构将多个半导体芯片叠加在一同,构成一个三维的集成电路。这种封装办法能够大大前进集成电路的密度和功用,一同削减信号传输的推迟,但它的规划和制作进程相对杂乱,需求更高的技能要求。
先进封装以内部封装工艺的先进性为评判规范,并以内部衔接有无基板可分两大类。先进封装的区分点在于工艺以及封装技能的先进性,一般来说,内部封装为引线结构 (WB) 的封装不被归类为先进封装,而内部选用倒装(FC)、晶圆级(WL)等先进技能的封装则能够称为先进封装,先进封装以内部衔接有无载体(基板)可一分为二进行区分:
(1)有载体(基板型):内部封装需求依托基板、引线结构或中介层(Interposer),首要内部互连为倒装封装(FC),能够分为单芯片或许多芯片封装,多芯片封装会在中介层(或基板)之上有多个芯片并排或许堆叠,构成2.5D/3D 结构,基板之下的外部封装包含BGA/LGA、CSP 等,封装由内外部封装结合而成,现在业界最具代表性且最广为运用的组合包含FCBGA(倒装 BGA)、Embedded SiP、2.5D/3D Integration。
(2)无载体(晶圆级):不需求基板、引线结构或中介层(Interposer),因而无内外部封装之分,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绕线手法,再运用倒放的办法与PCB 板直接衔接,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),而扇出型又能够延伸出3D FO封装,晶圆级封装为现在封装技能中最先进的技能类别。
先进封装以缩小尺度、体系性集成、前进I/O数量、前进散热功用为展开主轴,能够包含单芯片和多芯片,倒装封装以及晶圆级封装被广为运用,再调配互连技能(TSV, Bump等)的技能才能进步,推进封装的前进,内外部封装能够调配组合成不同的高功用封装产品。
规划:在此阶段,规划工程师将依据产品规范和功用要求规划半导体产品。这或许触及电路规划、物理规划以及封装规划。
制作:规划完结后,将进入制作阶段。这一般包含晶圆制作和晶圆切开。晶圆制作首要由半导体设备和资料供货商完结,而晶圆切开则由半导体系作商(例如台积电或英特尔)完结。
封装和测验:在制作进程完结后,芯片需求进行封装以保护其电路并供给电气衔接。在封装之后,还需求进行功用和功用测验以保证芯片的功用到达规划规范。
体系集成:封装后的芯片将被集成到电子体系中,如手机、电脑、轿车等。这一步一般由原始设备制作商(OEMs)和制作服务供给商(EMS)完结。
出售和服务:最终,完结体系集成的产品将经过各种出售途径(如零售商或直接出售)出售给最终用户。服务或许包含产品的修理和更新。
在这个工业链中,每个环节都有专门的公司参加。例如,规划阶段或许由规划公司完结,制作阶段或许由半导体系作公司完结,封装和测验阶段或许由封装和测验服务公司(OSAT)完结,体系集成或许由OEM完结,出售和服务或许由各种零售商和服务供给商完结。
先进封装工业的上游是以康强电子、兴森科技、岱勒新材、三环集团为代表的封装资料供货商与士兰微、中芯世界为代表的集成电路制作企业。中游作为集成电路封装职业主体,首要进行集成电路封装与测验进程。下流为3C电子、工控等终端运用。
跟着封装技能向多引脚、窄间隔、小型化的趋势展开,封装基板已逐步代替传统引线结构成为干流封装资料。引线键合类基板在其封装总本钱中占比约为40%~50%,而倒装芯片类基板的本钱占比则可高达70%~80%。相对其他封装资料,封装基板的难度更大,但赢利高、运用范畴许多、商场空间宽广。
先进封装资料商场较为涣散,我国企业在键合丝、环氧塑封料、引线结构商场中具有必定影响力,国产化率水平较高,可是在封装基板、芯片粘结资料方面与世界抢先企业间隔依然较大。
跟着新式高密度封装办法的呈现,电子封装的许多功用,如电气衔接,物理保护,正逐步部分或悉数的由封装基板来承当。近年来在电子基板中,高密度多层基板占比越来越大,在先进封装中的运用越来越广泛。封装基板作为特种印制电路板,是将较高精密度的芯片或许器材与较低精密度的印制电路板衔接在一同的根本部件。相较于PCB板的线μm参数,封装基板可完结线μm的参数。PCB板全体精细化前进的本钱远高于经过封装基板来互连PCB和芯片的本钱。
先进封装按外壳资料一般能够分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装;依照封装链接结构能够分为内部封装、外部封装和晶圆级封装,封装内部是指封装内部芯片与载体(引线结构或载板)之间的衔接办法,包含引线键合(WB)、载带主动焊(TAB)、倒装封装(FC),外部封装为引线结构(或载板)与印刷电路板(PCB)之间的衔接办法,是咱们肉眼可见的封装外型,例如QFP、QFN、BGA、LGA等,部分晶圆级封装因为无需引线结构或导线载板,直接与PCB 板衔接,因而跳脱于传统内部及外部封装之分。
先进封装的下流运用以移动设备、多引脚、高功用产品为首要需求。晶圆级封装多用在小型移动设备,基板型多用在引脚多且无体积约束的产品,多芯片又能够被归类为SiP 封装。
先进封装能够由单芯片、多芯片、晶圆级、基板级组合而成,晶圆级和基板级的不同源自于制程上的差异,晶圆级封装用到芯片制作的工艺,需求淀积、光刻、去胶、刻蚀等流程,相较于基板级封装,晶圆级封装能够有更小的封装体积,因而多用在小型移动设备,而基板级多用在高引脚且无体积约束的产品。
一般来说,多芯片封装都在封装内部自成一个子体系,因而多芯片又能够被归类为 SiP(System in Package,体系级封装),SiP封装重视在封装内的体系完结,不论先进性与否,只要是能自成体系的都能够称为 SiP,而先进封装范畴的SiP包含 2.5D/3D FO、Embedded、2.5D/3D Integration 以及技能比较先进的异质异构封装(比方苹果手表S系列芯片)等。
先进封装现在包含两种商业模式:一是由IDM和代工厂在制作后履行的内部ATP服务;二是第三方客户的OSAT公司,OSAT客户能够包含IDM、无晶圆厂公司和代工厂。
早在20世纪60年代,半导体系作商运用劳动力本钱的优势,在亚洲树立了工厂。现在,在美国和欧洲以外,从事半导体系作的抢先公司总部都设在新加坡、韩国、日本和我国。欧洲、美国、韩国和我国抢先IDM和代工厂也在先进封装方面进行了许多出资。可是,总部坐落我国的公司主导了OSAT部分。
OSAT、IDM和代工厂运用资料和设备拼装和封装制品晶圆。假如按出售额衡量,总部坐落美国、我国、韩国和日本的公司占封装商场比例的绝大部分。可是,从物理设备的方位来看,亚洲显着是领导者。最近的计算标明,我国在封装设备总数方面抢先(220,含我国台湾区域106),其次分别是亚太其他区域(65)、北美(35)、日本(27)和欧洲(19)。公司总部坐落美国和欧洲的半导体工业协会估量, 全球至少81%的ATP产能坐落亚洲。
WLP便是直接在晶圆上进行大部分或悉数的封装测验程序,之后再进行切开制成单颗芯片。选用这种封装技能,不需求引线结构、基板等介质,芯片的封装尺度减小,批量处理也使出产本钱大幅下降。WLP 可分为扇入型晶圆级封装(Fan-In WLP)和扇出型晶圆级封装
(1)扇入型:直接在晶圆上进行封装,封装完结后进行切开,布线均在芯片尺度内完结,封装巨细和芯片尺度相同;
(2)扇出型:依据晶圆重构技能,将切开后的各芯片从头安置到人工载板上,芯片间阻隔视需求而定,之后再进行晶圆级封装,最终再切开,布线可在芯片内和芯片外,得到的封装面积一般大于芯片面积,但可供给的I/O数量添加。
倒装工艺:指在芯片的I/O焊盘上直接堆积,或经过RDL布线后堆积凸块(Bump),然后将芯片翻转,进行加热,使熔融的焊料与基板或结构相结合,芯片电气面朝下。
凸块工艺:倒装工艺必备,在晶圆外表植锡球或铜块等,是先进封装的中心技能之一。
(1)2.5D封装:裸片并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介层顶部。其底座,即中介层,可供给芯片之间的互联。
(2)3D 封装:又称为叠层芯片封装技能,3D 封装可选用凸块或硅通孔技能(Through Silicon Via,TSV),TSV是运用笔直硅通孔完结芯片间互连的办法,因为衔接间隔更短、强度更高,能完结更小更薄而功用更好、密度更高、尺度和分量显着减小的封装,并且还能用于异种芯片之间的互连。
SIP是将多种功用芯片,包含处理器、存储器、FPGA等功用芯片集成在一个封装内,然后完结一个根本完好的功用。与体系级芯片(System on Chip,SoC)相对应,不同的是体系级封装是选用不同芯片进行并排或叠加的封装办法,而SoC 则是高度集成的芯片产品。
Chiplet 技能是一种经过总线和先进封装技能完结异质集成的封装办法。
经过对国内先进封装职业的各个专利申请人的专利数量进行计算,排名前列的公司依次为:长电科技、生益科技、通富微电、国星光电、寒武纪、深科技、正业科技等。
(1)工信部:首要担任研讨拟定信息化展开战略、方针方针和总体规划;推进工业结构战略性调整和优化晋级;拟定职业的法令、法规,发布行政规章,安排制定职业的技能方针、技能体系和技能规范,并对职业的展开方向进行微观调控。
(2)科技部:首要担任拟定国家立异驱动展开战略方针以及科技展开、引入国外智力规划和方针并安排施行;牵头树立一致的国家科技管理渠道和科研项目资金和谐、评价、监管安排;拟定国家根底研讨规划、方针和规范并安排施行;编制国家严重科技项目规划并监督施行;牵头国家技能搬运体系建造,拟定科技效果搬运转化和促进产学研结合的相关方针办法并监督施行等。
(1)我国半导体职业协会:是职业的自律安排和和谐安排,下设集成电路分会、半导体分立器材分会、半导体封装分会、集成电路规区分会等专业安排,协会首要担任贯彻落实政府有关的方针、法规,向政府事务主管部门提出职业展开的经济、技能和配备方针的咨询定见和主张;做好信息咨询作业;查询、研讨、猜测职业工业与商场,聚集企业要求,反映职业展开呼声;广泛展开经济技能沟通和学术沟通活动;展开世界沟通与协作;制(修)订职业规范、国家规范及引荐规范等使命。
(2)我国电子专用设备工业协会:首要担任向会员单位和政府主管部门供给职业状况查询、商场趋势、经济运转猜测等信息;代表会员单位向政府部门提出工业展开主张和定见;做好方针导向、信息导向、商场导向作业;广泛展开经济技能沟通和学术沟通活动,展开与国外集体的联络,促进工业展开,推进工业世界化等。
(3)我国集成电路测验仪器与配备工业技能立异联盟:由我国科学院微电子研讨所作为依托单位,并由我国从事集成电路测验技能相关的产学研用单位在彻底自愿的根底上组成。该联盟秉承“敞开、协作、同享、共赢”的主旨,以我国集成电路测验工业需求为牵引,依托联盟各成员单位的人才、技能和商场资源,加强信息沟通同享、展开国内世界协作、整合测验工业资源、杰出联盟全体优势、进步联盟成员效果,一同推进我国集成电路测验仪器和配备的技能立异和工业化。
收入添加:检查公司的年度或季度收入添加率能够协助咱们了解该公司在商场中的体现以及其产品或服务的需求。关于先进封装职业来说,跟着电子设备对更杂乱、更小型的半导体需求添加,咱们能够预期这个职业的收入将继续添加。
盈余才能:盈余才能是衡量公司运营功率的一个重要方针。咱们能够经过检查公司的赢利率,例如毛利率、运营赢利率和净赢利率来了解公司的盈余才能。
本钱开销:因为先进封装职业需求许多的研制和出产设备投入,所以本钱开销也是一个重要的财政方针。咱们能够经过检查公司的本钱开销数据,来了解公司在技能研制和出产才能进步上的投入。
研制投入:在一个技能快速展开的职业中,研制投入是非常重要的。咱们能够经过检查公司的研制开销来了解其对未来展开的出资。
商场比例:商场比例能够协助咱们了解公司在其职业中的位置。关于先进封装职业来说,商场比例能够经过公司的出售额或出产量来衡量。
财政健康:咱们还需求考虑公司的财政健康,例如其流动比率(衡量公司归还短期债款的才能)和负债率(衡量公司长时间偿债才能的方针)。
先进封装职业估值办法能够挑选市盈率估值法、PEG估值法、市净率估值法、市现率、P/S市销率估值法、EV / Sales市售率估值法、RNAV重估净资产估值法、EV/EBITDA估值法、DDM估值法、DCF现金流折现估值法、NAV净资产价值估值法等。
半导体工业作为信息工业的根底和中心,是国民经济和社会展开的战略性工业,国家给予了高度重视和大力支撑。为推进我国以集成电路为主的半导体工业展开,增强信息工业立异才能和世界竞赛力,国家出台了一系列鼓舞扶持方针,为半导体先进封装工业树立了优秀的方针环境,促进半导体先进封装工业的快速展开。
依据WSTS计算,2017年至2020年,全球集成电路商场规划从3431.9亿美元进步至3,612.30亿美元。2019年,遭到中美交易抵触的影响,全球集成电路工业总收入为3,333.5亿美元,较2018年度下降15.24%。跟着交易争端问题平缓、全球疫情逐步得以操控、5G、物联网、人工智能、可穿戴设备等新式运用范畴继续蓬勃展开,2020年全球集成电路工业商场规划重回添加,估量未来将继续坚持添加态势2026年全球集成电路商场规划将增至7478.62亿美元,其间集成电路规划到达2774.57亿美元;集成电路制作到达3834.05亿美元;集成电路封测到达870亿美元。
我国消费电子产销规划均居世界第一,我国是消费电子产品的全球重要制作基地,全球首要的电子出产和代工企业大大都在我国树立制作基地和研制中心。
集成电路职业具有周期性动摇的特色,且半导体职业周期的频率要远高于经济周期,在经济周期的上行或下行进程中,都或许呈现彻底相反的半导体周期。受职业动摇周期的影响,未来半导体职业能否继续回暖具有不确认性,或许对现金封测职业运营成绩构成晦气影响。
政府对集成电路职业的工业方针为我国先进封测企业供给了杰出的方针环境,若国家工业方针发生晦气改变,将对职业发生必定的影响。一同,产品销往国外的占比较高,假如国家工业方针、进出口方针或许公司产品出口国家或区域的相关方针、法规或规矩等有所调整,或许会对公司事务构成晦气影响。其他,公司在外国设有工厂,所属国家工业方针改变也将会对公司事务运营发生影响。
应对办法:业界公司应继续重视商场意向、微观经济形势、相关方针、客户需求等改变,并树立对标体系,及时调整运营展开方针和出资方向,下降相关商场危险带来的影响。
业界公司作为半导体芯片制品制作和测验企业。假如相关国家与我国的交易抵触继续晋级,约束进出口或前进关税,业界公司或许面对设备、原资料缺少和客户丢失等危险,从而导致公司出产受限、订单削减、本钱添加,对公司的事务和运营发生晦气影响。
应对办法:业界公司应及时跟进与相关国家交易争端开展并发表相关信息,并将活跃采纳相关应对办法,尽或许地下降出产运营危险。
半导体芯片制品制作和测验职业对设备有较高要求,部分重要中心设备来自境外。未来,业界公司的某些中心设备或许会发生供给缺少、价格大幅上涨,或许供货商所在国家与区域与我国发生交易抵触、交际抵触、战役等从而影响到相应设备的出口答应,或许会对公司出产运营及继续展开发生晦气影响。
应对办法:公司应活跃采纳推进供给链多元化方案等一系列办法,尽或许地下降设备供给缺乏等对出产运营带来的晦气影响。
自 2020 年头疫情全球迸发,大都区域和职业遭受了不同程度的影响,本年上半年国内疫情呈现重复。疫情期间的阻隔管控、物流约束等疫情防控办法或许使得公司的人员出勤、设备收买及装置保护、出售发货等环节有所迟滞,以及客户开发等商场活动遭到必定约束。业界公司客户和供货商所在地的疫情也会影响到工业链上下流公司的日常运营活动,然后对整个集成电路职业带来晦气影响。
应对办法:业界公司应继续亲近重视新冠疫情展开状况,评价和活跃应对其对本公司财政状况、运营效果等方面的影响。
传统消费电子需求从 2022 年一季度开端逐步放缓,包含手机制作商在内的 IC 终端用户库存水平明显高于 2021 年,存在下半年半导体封测需求下降的危险;其他疫情在全球范围内仍在广泛传播,叠加包含俄乌战役在内的世界政治事件,一同对供给链构成影响,继而影响出售;当商场需求下降时,国内部分封测产能搁置带来的价格竞赛,从而对职业出售额及赢利率构成必定影响。
比较传统封装,新办法正快速改写封测职业以低门槛、低单价竞赛为主,同质化程度高的职业特征。跟着IDM(笔直整合制作商)和晶圆厂入局,前、中道工艺的浸透不断进步先进封装技能壁垒。一同先进封装杰出了芯片器材之间的集成与互联,规划厂商在芯片开发初始阶段就需求考虑到含封装在内、整个体系层级规划和优化。考虑到先进封装带来更多的比如散热、机械安排等规划关键,EDA东西服务范围得到拓宽。。
跟着芯片规划的异质性和运用的针对性越来越强,由此改变带来的问题也越来越多,这使得咱们很难确认问题的本源或猜测犯错的原因以及什么时候犯错。先进封装中运用的键合/解键和互连也存在差异。例如,有大规划回流焊、热压焊和激光辅佐键合互连挑选的线束,或线束加倒装芯片与各种被迫元件的组合。关于每一种工艺,在温度、应力残留和或许的隐形微裂纹方面都有许多改变。
在设备端,封测工业虽然是我国半导体工业链中最老练的环节,但后道封装和测验设备、封装资料的国产化率依然较低,有较大代替空间。而跟着中道制作的快速展开,国内前道设备制作商已顺畅进入头部客户的产线并已构成较强竞赛力。新的机会正在到来。
全球干流封测厂商现在都在先进封装范畴加大出资,不过国内的封装还是以传统封装为主,长电科技、通富微电经过自主研制和收买吞并,现在先进封装的工业化才能到达了必定水平,可是我国先进封装占比约为25%,低于全球水平。
先进封装商场正在阅历明显的添加,估量未来几年将会继续添加。这个商场在全球范围内的规划估量到2029年将到达超越610亿美元,复合年添加率为7.65%。推进这个商场添加的关键要素包含半导体集成电路(IC)规划的杂乱性,以及轿车和消费电子产品对小型化和高功用半导体的需求。
台积电(TSMC)是全球最大的合同芯片制作商,现在正在加速其在先进封装范畴的出资,以满意人工智能范畴的需求。据报道,因为先进封装解决方案的需求超越了其当时的出产才能,公司计划加速在先进封装范畴的出资和扩张。
Yole Group的陈述中指出,因为微弱的商场趋势,先进封装在整个半导体商场的比例在不断添加。它已经成为最具招引力和最具生机的事务部门,招引了全供给链各级其他大公司。Yole Group估量,未来五年半导体封装商场的价值将超越1000亿美元,其间TSMC、Intel和Samsung等业界巨子在推进先进封装的展开。
移动和顾客商场是现在先进封装商场的首要收入来历,估量未来五年内的年添加率将超越8%。与此一同,轿车和更广泛的交通运输范畴是先进封装商场收入添加最快的范畴。电信和根底设备范畴也在先进封装职业中起着关键效果,其添加与移动和顾客范畴相仿。
未来,先进封装将驱动史无前例的出资水平。数据处理需求不断添加,异构功用如数据存储、数据处理和传感等需求在同一个封装中进行集成。因为前端制作在功用和本钱方面存在鸿沟,封装和先进封装供给了满意OEM和模块制作商需求的中心元素,以及集成设备制作商(IDM)。
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