半导体先进封装发展趋势(半导体先进封装深度报告)

(报告出品方/作者:中信证券,徐涛、王子源)

先进封装:后摩尔时代提升系统性能的重要路径

封装简介:为半导体产业链后段部分,面向小型化、集成化发展

封装为半导体产业核心一环,主要目的为保护芯片。半导体封装测试处于晶圆制造过 程中的后段部分,在芯片制造完后,将晶圆进行封装测试,将通过测试的晶圆按需求及功 能加工得到芯片,属于整个 IC 产业链中技术后段的环节,封装的四大目的为保护芯片、 支撑芯片及外形、将芯片的电极和外界的电路连通、增强导热性能作用,实现规格标准化 且便于将芯片的 I/O 端口连接到部件级(系统级)的印制电路板(PCB)、玻璃基板等材料 上,以实现电路连接,确保电路正常工作。

封装外壳材料通常可分为塑料、陶瓷、金属三种。封装的材料主要有塑料、陶瓷、金 属封装三种,塑料封装的散热性最差,但塑料制作最容易、成本最低,通常使用在结构较 简单、芯片内含有 CMOS 数目较少的集成电路;陶瓷封装的散热性较佳,但是陶瓷需要 烧结成型,成本较高,通常使用在结构较复杂的芯片;而金属的散热性是最好的,但金属 会导电,因此无法直接作为封装外壳,所以目前大多先使用陶瓷或塑胶封装,并将封装外 壳上方的陶瓷或塑胶以金属外壳取代。

封装连接结构可分为内部封装以及外部封装,晶圆级封装跳脱于传统内部及外部封装 之分。封装内部是指封装内部芯片与载体(引线框架或载板)之间的连接方式,最常见方式 包括引线键合(WB, Wire bonding)、载带自动焊(TAB)、倒装封装(FC, Flip Chip),载体是 芯片裸晶和印刷电路板(PCB)传递电信号的管道,目前市场上应用最多的是引线键合(WB) 及倒装封装(FC)。而外部封装为引线框架(或载板)与印刷电路板(PCB)之间的连接方式,是 我们肉眼可见的封装外型,也是最常被提及的封装形式,例如 QFP、QFN、BGA、LGA 等。此外,部分晶圆级封装因为无需引线框架或导线载板,直接与 PCB 板连接,因此跳 脱于传统内部及外部封装之分。

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封装效果以封装效率、引脚数衡量、散热程度为三大衡量指标。封装效果的主要评价 标准以封装效率、引脚数、散热性能为主。在满足封装基本要求的前提下,封装效果评价 主要基于以下三点: 1) 封装效率。芯片面积/封装面积,尽量接近 1:1 为宜,缩小体积为目前封装发 展方向,晶圆级封装能够做到接近 1:1 的比例; 2) 引脚数。每单位(mm2 )引脚数越多(I/O 越多),封装程度越高级,但是工艺难 度也相应增加,引脚数多的封装通常用在高端的数字芯片封装中; 3) 散热程度。引脚数越多,所产生的热能越多;封装体积越小,散热效能越低, 因此如何在封装效率、引脚数、散热程度取得平衡,成为封装评价关键的一 点。

先进封装:摩尔定律放缓且成本提升,集成化封装为提升系统性能另一发 展主轴

摩尔定律迭代速度放缓,从系统应用出发,整体性能提升依靠先进封装技术。在硅基 半导体的技术演进上,每 18 -24 个月晶体管的数量每年翻倍,带来芯片性能提升一倍,或 成本下降一半,这一规律称为“摩尔定律”。先进制程带来的成本优势和先发优势,使得半 导体厂商一直致力于实现特征尺寸的缩小,而如今,随着延续摩尔定律所需新技术研发门 槛提高、研发周期拉长,制程工艺迭代需花费更长时间,且成本提升明显。业界认为,系 统异质整合是提升系统性能,降低成本的关键技术之一,需要依赖先进封装技术。以 CPU 为例,从 CPU 处理器的性能发展驱动力来看,近十余年,单核性能提升的效果边际降低, 增加处理器核心数量尤为关键。由于单颗芯片面积越大,良率越低,相应成本越高,先进 封装成为低成本增加核心数量的重要方式。以 AMD 的 chiplets 架构举例,可以设计成多 晶粒架构,将处理器的多个处理核心制造在多个晶粒里,再封装整合成单一 CPU,取代原 本将所有核心在单一芯片统一制造的方式,可大大降低成本。再如苹果于 2022 年发布的 M1 Ultra 芯片是由两颗 M1 Max 芯片通过台积电 InFO-LSI 技术封装在一起,实现了芯片 性能的翻倍。先进封装技术能解决异质高密度的集成,运用封装技术继续提升整体性能。

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封装朝小型化、多引脚、高集成目标持续演进。封装历史发展大概分为五阶段,目前 市场主流封装形式仍以第三阶段为主流,BGA 和 CSP 等主要封装形式进入大规模生产阶 段。封装演变历史朝小型化、I/O 数量增加(多引脚)、集成化三向发展。以小型化为例, 过去 DIP 封装后的体积是芯片的 100 倍大,发展至 CSP 仅芯片的 1.2 倍或更小;I/O 数量 也从过去 6 个引脚增加到数千个以上。先进封装位于整个封装技术发展的第四阶段及第五 阶段,I/O 数量多、芯片相对小、高度集成化为先进封装特色。

先进封装以内部封装工艺的先进性为评判标准,并以内部连接有无基板可分两大类。 先进封装的划分点在于工艺以及封装技术的先进性,一般而言,内部封装为引线框架(WB) 的封装不被归类为先进封装,而内部采用倒装(FC)、晶圆级(WL)等先进技术的封装则可以 称为先进封装,先进封装以内部连接有无载体(基板)可一分为二进行划分: 1) 有载体(基板型):内部封装需要依靠基板、引线框架或中介层(Interposer),主要 内部互连为倒装封装(FC),可以分为单芯片或者多芯片封装,多芯片封装会在中 介层(或基板)之上有多个芯片并排或者堆叠,形成 2.5D/3D 结构,基板之下的外 部封装包括 BGA/LGA、CSP 等,封装由内外部封装结合而成,目前业界最具代 表性且最广为使用的组合包括 FCBGA(倒装 BGA)、Embedded SiP、2.5D/3D Integration。 2) 无载体(晶圆级):不需要基板、引线框架或中介层(Interposer),因此无内外部封 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 绕线手段,再使用倒放的方式与 PCB 板直接连接,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),而扇出型又可以延伸出 3D FO 封装,晶圆级封装为目前封装技术中最先进的技术类别。 先进封装以缩小尺寸、系统性集成、提高 I/O 数量、提高散热性能为发展主轴,可以 包括单芯片和多芯片,倒装封装以及晶圆级封装被广为使用,再搭配互连技术(TSV, Bump 等)的技术能力提升,推动封装的进步,内外部封装可以搭配组合成不同的高性能封装产品。

下游应用:移动设备、多引脚、高性能产品为主要需求

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限制的产品,多芯片 又可以被归类为 SiP 封装。先进封装可以由单芯片、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造的工艺,需要淀积、 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,因此 多用在小型移动设备,而基板级多用在高引脚且无体积限制的产品。一般而言,多芯片封 装都在封装内部自成一个子系统,因此多芯片又可以被归类为 SiP (System in Package, 系统级封装),SiP 封装关注在封装内的系统实现,不管先进性与否,只要是能自成系统的 都可以称为 SiP,而先进封装领域的 SiP 包括 2.5D/3D FO、Embedded、 2.5D/3D Integration 以及技术比较先进的异质异构封装(比如苹果手表 S 系列芯片)等。

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1. 单芯片基板型

FCBGA 为 FC 与 BGA 合成,多用在高引脚数量和高性能 ASIC(专用集成电路)。 FCBGA 顾名思义就是 FC 倒装技术与 BGA 技术结合的产物。这种封装使用焊球作为底部 引脚来连接基板与 PCB 的同时,芯片通过 FC 技术与基板实现互连。该技术主要特点表现 在以下三个方面:(1)优异的电性效能,同时可以减少组件互连间的损耗及电感,降低电 磁干扰的问题,并承受较高的频率;(2)提高 I/O 的密度,提高使用效率,有效缩小基板 面积缩小 30%至 60%,I/O 可以支持 600-1200 个以上;(3)散热性好,可提高芯片在高 速运行时的稳定性。FCBGA 大量应用在高引脚数量和高性能 ASIC,大尺寸 FCBGA 能 提供满足互联网、工作站处理器和高带宽系统通讯设备需求的封装解决方案,目前 FCBGA 常见应用包括 CPU、图形加速芯片、服务器等,其改良版 FCLGA 可以支持数千个 I/O, 最典型的应用就是英特尔 CPU 封装。

2. 多芯片基板型

Embedded SiP 适合低功耗及高温环境,多用在电源管理芯片。Embedded SiP 封装 是将 Die 嵌入在基板内,不同于常见的形式是放在基板之上,嵌入式的好处在于芯片之间 连接距离变近,能够降低功耗损失,此外这种封装方式耐热性能也较好,电源管理能力出 众,因此被大量应用在电源管理芯片、传感器、影像模组、微控制器等需要低功耗及高温 环境运作的产品。

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3. 单芯片晶圆型

晶圆级封装(WLP)不需任何中介层,分扇出及扇入型两种,大量用在小型便携移动设 备。晶圆级封装分为扇入型(Fan-in)跟扇出型(Fan-out),扇入的原理就是在原芯片尺寸内 部将所需要的 I/O 口排列完成,封装尺寸基本等于芯片尺寸,I/O 数量一般小于 400,大量 运用在小型便携产品,应用包括电源管理、高端射频芯片,FPGA 等。而当芯片的尺寸不 足以放下所有 I/O 接口的时候,就需要扇出型封装,在芯片范围外利用 RDL 做连接,以 获取更多的引脚数,在环氧树脂(EMC)中嵌入每个裸片时,每个裸片间的空隙有一个额 外的 I/O 连接点,这样 I/O 数会更高,使互连密度最大化,属于人为扩大芯片的封装尺寸。 扇出型封装多运用在高速,低功耗和高频率的小型移动设备。

扇出型封装制程主要有三种,大体与扇入型封装差不多,主要差别在于前期会将芯片 取下重组晶圆。扇出型封装为扇入型封装的改良,其制程与扇入型封装基本一致,不同的 是其并不是拿原始硅片去做,而是会将芯片切割下来后重组晶圆,原因是要制造扇出区的 空间出来,扇出型封装有三种主要制造工艺,第一是芯片先装/面朝下(mold-first / face-down)、第二是芯片先装/面朝上(mold-first/face-up)和第三芯片后装(RDL-first)。 以 mold-first/face-down 工艺流程为例,封装厂将晶圆厂的原始硅片进行芯片切割,最后 通过芯片贴装系统,将芯片放置在临时载板上。环氧模塑料被塑封在芯片和载板上,形成 重构晶圆,然后在重构晶圆内形成 RDL。在 RDL 制造流程中,先在衬底上沉积一层铜种 子层,再在该结构上涂布一层光刻胶,然后利用光刻设备将其图案化,最后电镀系统将铜 金属化层沉积其中,形成最终的 RDL。基本上封装工序与扇入型封装大同小异。

4. 多芯片晶圆型

2.5D/3D Fan-out 应用在高端移动设备终端。 2.5D/3D Fan-out 由扇出型晶圆级封装 发展而来,归属扇出型封装一类,其 I/O 数可高达数千个,是目前最先进的封装技术,被 大量运用在应用在移动设备终端,包括用于 CPU、GPU、电源管理芯片、射频收发器芯 片、基带处理器、高端网络系统等多种高端应用领域,晶圆代工厂进入 2.5D/3D Fan-out 且引领整个行业。

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5. SiP 封装

SiP 封装涵盖广,关注系统在封装内的实现,大量运用在 5G 应用场景。系统级封装 (SiP, System in-a-package)为 MCM 封装的演进,相较于 MCM 主要为芯片组成,SiP 可 以由无源器件、光电组件等不同功能的电子组件组进行排列组装,形成一个系统或者子系 统,关注系统在封装内的实现。上述多芯片的封装皆可属于 SiP 封装,此外有些 SiP 封装 因为工艺较先进,虽只是将有源和无源器件集成,但可以被归为先进封装,如苹果手表 S系列芯片。SiP 封装概念很广,只要是系统级封装都可以称之,包含 2D-3D 结构,现在被 大量应用在穿戴式装置(如智能手表、蓝牙耳机等)、5G 毫米波(mmWave)天线封装模 组(AiP)等应用。

市场空间:预计先进封装五年后超 500 亿美元,倒装封装为主要应用

2020 年全球/中国封测市场规模分别约 660 亿美元/2510 亿元,预计 2020~2025 年 CAGR 分别约 5%、10%。根据 Yole 数据,全球封装市场规模稳步增长,2020 年全球市 场规模 660 亿美元,2025 年将提升到 850 亿美元左右,对应 CAGR 达 5.2%。中国作为 全球最大的芯片消费国,市场对于封测的需求也日益增加,据中国半导体行业协会, 2020/2021 年市场规模分别为 2510/2763 亿元,2013-2021 年 CAGR 为 12.2%;据前瞻 产业研究员预测,2026 年有望提升至 4419 亿元,2021-2026 年 CAGR 约 9.9%,增速远 快于全球,原因一是中国半导体市场需求蓬勃,二是受益于国产替代的加速进行,三是国 内封测厂积极扩厂使封装量产能力增加,而刺激国内封测收入激增。

Flip-chip 倒装封装牢牢占据先进封装行业收入顶点,3D 堆叠/嵌入式封装/晶圆级扇 出成长幅度最大。先进封测市场规模以互连技术划分,目前以倒装封装(Flip-chip)最大, 其次是晶圆级扇入型 Fan-in 和晶圆级扇出型 Fan-out 封装。基板类先进封装基本上都需要 Flip-chip 倒装进行内部封装,因此 Flip-chip 占据超过 80%的先进封装市场份额,许多没 体积限制又需要高引脚的产品多采用这种方式;而晶圆级封装相对于整体先进封装市场规 模还较小,主要是因为制程较领先且各厂商还在积极放量中,目前应用多在高端的小型体 积封装。若从成长幅度来看,3D 堆叠/嵌入式封装/晶圆级扇出型为发展最快速的前三大应 用市场,Yole 预测 2019-2025 CAGR 分别为 21.3%/18%/16%,此外 TSV 作为 2.5D/3D 立体封装会大量使用到的互连技术,Yole 预测 2019-2025 CAGR 为 29%,增长幅度大幅 领先其他技术。

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竞争格局:IDM Foundry 切入先进封装,OSAT 头部集中

封测行业集中度高, 中国大陆、中国台湾、美国占据全球近 90%份额。由于厂商需要 长期的大额资本开支,全球委外封装业务(OSAT)有较为集中的特性。大量中小型封测厂商 被并购,行业集中度提升。近几年行业发生最大的一起并购案,是全球最大的封测厂日月 光收购的全球第四大封测厂的矽品,并购金额高达 40 亿美元。在行业龙头割据下,封测 产业从地理位置上也呈现高度集中的态势,2020 年中国台湾、中国大陆、美国市占率分 别为 52%/21%/15%,合计占据 88%的市场份额。

封测厂客户集中度高,营收波动较大。因为各委外封装厂均有自己擅长的主要封测领 域,因此封测厂的客户比较集中,从营收来看,2021 年大多数大型的封测厂前五大营收 占比集中在 40%以上,也有许多高于 60%,因此多数公司营收会出现较依赖大型客户的 情形,受大客户订单波动影响概率高,但相对的因为大客户的集中,销售费用、员工差旅 费用、业务招待、应收账款催收等支出能有效降低,在成本及规模效应明显的封测行业, 支出的控制也是竞争优势之一。

晶圆制造巨头触角伸向后端封装,打造从制造到封装的一体化工艺程序,OSAT 在压 力下集中度或将继续提升。随着智能手机的发展、5G 普及、自动驾驶兴起、高性能运算 需求大增,对于芯片要求小体积、高性能、多功能整合、低功耗设计,伴随着先进制程的 物理瓶颈,除了传统委外封测代工厂(OSAT)外,晶圆代工厂以及 IDM 公司也都相继成立 自己的封装厂,开发高端的封装技术,包括台积电、英特尔、三星等企业都已展开布局多 年,比如台积电目前已有四座先进芯片封装厂,持续加码投资人民币 716 亿元于台湾苗栗 兴建第五座封装厂;三星也有数座封装厂、晶圆代工厂将触角延伸至后端封测领域,可推 断出未来十年先进封装将扮演半导体行业重要角色之一。先进封装的规模在整体封装市场 比重不断上升,在后摩尔时代,封装行业变成兵家必争之地,未来将会演变成晶圆制造厂 有自己从制造到封装的一体化工艺程序,而 OSAT 则是强者恒强,有望更加集中。

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三大先进封装:SiP、晶圆级封装、2.5D/3D 封装

SiP:5G/物联网需求增长,2025 年有望达 188 亿美元,OSAT 异质异构 把控市场

从单片集成到异质异构集成,SiP 料将超过 SoC 成为电路集成化主要解决方案。芯 片集成化是行业明确发展趋势,将电子系统各方面功能高度集成主要有两条技术路径,一 是 SoC 技术(System on Chip),实质为单片集成,通过芯片设计在制造环节将多个组件 集成在一个芯片上,增加电路传递效能进而降低功耗,且节省体积,缺点是工艺统一、成 本高昂,多应用在高单价且运算功能要求高的 HPC、CPU、GPU 等;二是 SiP 技术(System in Package),实质可以实现异质异构集成,在封测端将多个芯片封装成一个系统,与 SoC 相比,SiP 具有开发周期短、成本较低的优势,可以集成不同工艺芯片,降低成本,更加 多样化。基于成本及应用考虑,SiP 实现的异质异构集成,在应用层面比 SoC 更广阔。

2025 年 SiP 封装规模有望达 188 亿美元,以倒装 Flip-chip SiP 封装形式为主。SiP 封装概念较广,只要是系统级封装都可以称之,包含 2D-3D 结构,SiP 封装在未来会飞快 的增长。根据 Yole 数据,在先进封装领域,2019 年 SiP 封装市场规模约为 134 亿美元, Yole 预计 2025 将达 188 亿美元,对应 CAGR 达 11%,成长迅速,其中 Flip-chip 技术占 SiP 封装市场规模的 91%,为最大的应用封装技术,其次为扇出型晶圆级封装,占比约 8.5%, 最后为嵌入式封装,占比仅 0.5%。Yole 预计 2025 年 Flip-chip SiP/扇出型 SiP/嵌入式 SiP 市场规模分别为 171/13.64 /3.15 亿美元。

5G 手机出货量增长、物联网万物互联应用增加,刺激 SiP 封装需求。消费电子以智 能手机为主要市场,射频芯片(RF)是智能手机的核心芯片之一。Strategy Analytics 预测, 全球 5G手机出货量将在 2024年来到 8.55亿台,而伴随而来的就是大量的射频芯片需求; Yole 预测 2025 年全球射频芯片的规模将会到 254 亿美元,相较于 2020 年 167 亿美元, CAGR 高达 8.7%。除了智能手机及 5G 基站等射频类有 SiP 封装需求,物联网万物互联 的应用场景也激发需求增加,包括家电、穿戴式设备、传感器、汽车、智能家居等应用都 会采用。

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SiP 封装发展较成熟但仍具挑战,各家厂商群雄逐鹿。SiP 封装于未来将有广阔市场 空间,各大 OSAT 已布局多年,目前 SiP 在先进封装领域已经相对成熟,但在异质整合的 应用上仍有部分困难点,以射频模组应用目前的两个挑战举例:(1)兼容的射频器件数量 大幅度提升,导致系统连接变得更加复杂,各个功能芯片、被动元件、基板乃至注塑材料 之间,会产生不同程度的干扰,假如同时将 Sub-6GHz 与毫米波天线模组兼容进去,又会 更复杂,因此平衡各个模组间的运行是第一大挑战;(2)多器件的高密度摆放、芯片堆叠 会造成制造问题,比如芯片与基板的连接材料、塑封原材料都要求低损耗特性等功能,又 增加困难度。SiP 封装为各家封装厂商的投入重点,也在寻找各自方法解决封装难点。

异质异构 SiP 封装由 OSAT 把持,晶圆代工厂布局意图不大,国内厂商与国际技术同 一水平。OSAT 厂相对晶圆代工厂的 SiP 封装优势在于异质异构的先进封装,比如苹果手 表 S 系列的高密度整合各种有源及无源组件,相似产品多应用在射频、基站、车用电子等 领域的多种组件集成,晶圆代工厂对这块领域的布局意图不大,更多应用在高性能计算、 高端传感等工艺最难的高密度产品,包括晶圆级封装、2.5D/3D 产品等,注重自身高端客 户需求以及高毛利产品,因此对于封测厂(OSAT)来说,异质异构 SiP 封装是一个稳定的增 量市场。从技术上来看,国内厂商异质异构 SiP 封装技术基本与国际保持同一水平。根据 Yole 数据,2020 年 OSAT 占据 60%的 SiP 市场份额,而 IDM 和晶圆代工厂分别占据 25% 和 14%。

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晶圆级封装:2025 年市场规模有望超 55 亿美元,对应 5 年 CAGR 近 20%

2025 年晶圆级封装市场规模有望成长至 55.37 亿美元,对应 2020-2025 年 CAGR 达 12.6%。其中,扇出型晶圆级封装成长最快,对应 2020-2025 年 CAGR 达 19.7%。晶圆 级封装为先进封装重点发展之一,因为封装后体积小,所以大量运用在移动设备领域, Fan-in 大量运用在手机、通信和汽车领域,引脚数相对较少的芯片类型,例如电源管理 IC、 射频组件、传感器等,Fan-out 大量运用在引脚数较多的高性能芯片,如高性能计算、应 用处理器、CPU/GPU、射频 AiP 等,考虑引脚数差别,Fan-out 的应用层级比 Fan-in 更高。根据 Yole 数据,2020 年晶圆级封装市场规模为 30.64 亿美元,Yole 预计 2025 年成 长至 55.37 亿美元,对应 5 年 CAGR 为 12.6%;其中,扇出型晶圆级增速最快,市场规 模有望从 2020 年 12.37 亿美元成长至 2025 年 30.46 亿美元,对应 2020-2025 年 CAGR 为 19.7%,高于整体平均增速。

扇入型封装 OSAT 仍是市场主要玩家,扇出型封装 Foundry 有望成为市场主流。从 市场玩家来看,目前扇入型封装由封测厂(OSAT)把持,未来料也将延续这个趋势;而扇出 型封装因为 I/O 数量更多且能随依照客户 I/O 需求定制化,高弹性使得应用场景较广,所 以竞争者较多,包含封测厂(OSAT)、晶圆代工厂(Foundry)、IDM 公司都相继投入其中, Yole 认为传统 OSAT 厂在扇出型封装将会受到较大冲击,预计到 2024 年,晶圆代工厂商 将会占据 71%的市场,而 OSAT 的市场份额将会降至 19%。

扇入型晶圆级封装制程节点多用在高于 55nm 的晶圆,五大封测厂实力相近。扇入型 晶圆级封装因为体积受限,几乎都用在体积小且制程节点高于 55nm 的产品,比如 TWS 蓝牙耳机等。扇入型晶圆级封装主要结构为重布层(RDL)、金属球(多为锡球),因此各公司 技术节点往往从 RDL(重布层)的最小线宽(l/w)、金属球直径以及金属球间距三个数据做为 评判指标。从产业的技术实力来看,扇入型晶圆级封装目前以头部 OSAT 为引领,前五大 公司重布层最小线宽都能达到 10/10um 含以下,国内厂商长电科技和通富微电与国际厂商 的技术实力为国际一线,华天科技为国内前列。

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扇出型晶圆级封装使用变化多,台积电、三星领先业界。扇出型晶圆级封装因为使用 较为弹性,应用广泛,相较于扇入型晶圆级封装,可以应用在制程节点较先进的芯片,因 为此类芯片通常需要大量 I/O 连接才能达到使用效能,所以成为解决方案;此外扇出封装 可以实现 2D-3D 的封装方式,因为使用方面多样化,吸引 Foundry 和 IDM 厂商进入。扇 出型晶圆级封装的技术节点可以从 RDL(重布层)最小线宽(l/w)判断,晶圆级封装因 为涉及前道封装延续,目前台积电、三星的扇出型封技术最为先进。

2.5D/3D:2025 年市场规模有望达 118 亿美元,晶圆代工厂优势明显,台 积电/英特尔引领市场

2.5D/3D 封装属于高密度先进封装(HDAP)与系统级封装(SiP)结合的子集,大 量运用在集成度高的高端产品。2.5D 封装及 3D 封装为 SiP 概念的子集,专注于多芯片的 堆叠和并列技术,从应用方面来看,多应用在集成度较高的产品,包括传感器产品 (MEMS/CIS/Sensor)、高性能计算产品(CPU/GPU/HPC)、网通设备等,从制造端看, 2.5D/3D 封装可以由有中介层(interposer)的一般封装、以及无中介层的扇出型晶圆级实现。

预计 2.5D/3D 封装 2025 年全球营收规模 118.2 亿美元,对应 CAGR(2021-2025) 达 15.7%,芯片互连方式为立体封装关键。2.近年来 5D/3D 封装规模成长迅速。Yole 预 测,2.5D/3D 封装出货量从 2021 的 30.8 亿件增长至 2025 年的 50.3 亿件,对应 CAGR 达 13.1%;全球营收规模将从 2021 年的 66.1 亿美元增加至 2025 年的 118.2 亿美元,对 应 CAGR 高达 15.7%,发展潜力惊人。2.5D/3D 封装专注于立体封装技术,因此芯片的互 连成为其关键问题,各大厂商均是在解决立体结构的两个对象如何完成物理连接,才能够 制造出体积小、集成度高、速度快、功耗小的封装产品。

使用中介层、中介层嵌入在基板内、使用微凸块(μbump)的直接垂直堆叠、扇出 型晶圆级封装为 2.5D/3D 封装四大主要连接方式。在 2.5D/3D 封装中,分为晶圆级和基板 型,基板型又可划分成三种方法。第一种方法为使用中介层,常见的有 TSV 中介层,将硅 中介层置于所有互连的裸晶 die 下面,再通过基板封装铺设走线,这种方法为三种方法中 最方便的;第二种方法为将中介层嵌入在基板中,仅用于一个特定的 die 连接到另一个 die, 这种方法使用局部硅互连和重布层整合,执行效率比第一种中介层方法更为迅速,而且中 介层嵌入后体积能缩小;第三个是 die 对 die 使用微凸块和 TSV 直接垂直堆叠,不需要中 介层当媒介,也就 3D 堆叠技术,为三者中技术要求最高的一种,同时传输数度也最快。 而晶圆级则是用扇出型封装实现,不需要基板(Substrate)做连接,而是用 RDL(重布层)直 接做互连媒介。

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1. 台积电

台积电 3D Fabric 平台强力进击三维封装,前段封装占据绝对优势。台积电在 2020 年 8 月将旗下 3DIC 技术平台并命名为 3D Fabric,包括 SoIC、InFO、CoWoS 三大封 装技术,台积电跨足前道封装(SoIC)和后道封装(CoWoS, InFO),前道封装是在晶圆上, 将同质或异构小芯片都整合到一个类似 SoC 的芯片中,让芯片有更小的面积和更薄的外 形,芯片就像普通的 SoC 一样,但嵌入了所需的异质整合功能,例如制作 3D TSV 连接 通道,这种技术在设计阶段就要考虑并协同设计,由于本质是在做一颗 SoC 芯片,因此 只有晶圆厂可以做,尤其是需要先进制程产品,台积电具绝对优势。后道封装为将前道封 装完成的芯片搭配立体封装技术,像是台积电的 CoWoS 和 InFO,而后道封装技术也是 其他封测厂商积极跨入的领域,晶圆代工厂不会独占,成为行业竞争最激烈的一块领域。

1) CoWoS®:2011 年推出 2012 年量产,全称 Chip on Wafer on Substrate,有 CoWoS-S、 CoWoS-R、CoWoS-L 三种,S 为最常见的硅中介层、R 为 RDL(重布层)、L 为 LSI(嵌入 式)。CoWoS-S 为最早开发的系列,芯片通过 Chip on Wafer(CoW)的封装制程连接至硅 晶圆,再把 CoW 芯片与基板(Substrate)连接,整合成 CoWoS。CoWoS-R 为扇出型晶圆 级封装,使用重布层连接。CoWoS-L 也是扇出型晶圆级,为 CoWoS-S 和 InFO 技术的结 合,使用局部硅互连嵌入在重布层进行整合。CoWoS®系列为台积电历史最悠久的技术, 适用高速运算产品。

2) InFO:2016 年推出,全称为 Integrated Fan-Out,包括 InFO_oS、InFO_PoP 等。InFO-oS 为扇出型晶圆级封装,与 CoWoS-L 相似,使用局部硅互连将多个 InFO die 连接在一起,并且嵌入在重布层内,InFO 系列封装适用小芯片的消费性产品封装。 InFO_PoP 为全球第一个 3D 扇出晶圆级封装,上方通常为 DRAM 互连至基板,再通过凸 块与下方扇出型晶圆级封装的处理器进行连接,形成立体结构,适用移动装置。

半导体先进封装发展趋势(半导体先进封装深度报告)(12)

3) SoIC™:2019 年推出,2021 年量产,全称为 System of Integrated chips,包含 CoW(Chip on Wafer)/WoW(Wafer on Wafer)两种方案,为目前全球最领先的 3D IC 内部 堆叠互连技术之一,CoW 为单芯片去做互连,WoW 直接用整块晶圆去做互连,SoIC™主 要实现多个 die 堆叠的 3D 构造块,在垂直堆叠的芯片之间的每平方毫米空间能够实现约 10,000 个互连,此外超越了过去的中介层或芯片堆叠的实现方式,允许在不使用任何微凸 点的情况下堆叠硅芯片,直接将硅的金属层对准并键合到硅芯片上(类似 Intel 的 Hybrid Bonding),能对 10 纳米以下的制程进行晶圆级的接合技术,适合高频宽、高效率的逻辑 与存储的堆叠,且不但能用于主动器件之间的堆叠,还能实现主动器件到被动器件的堆叠。 相较于传统 3D IC,SoIC 的 Bump/bond 密度增加 16 倍,Bump/bond 间距缩小 0.23 倍, 为目前最先进的堆叠互连技术之一。

2. 英特尔

英特尔 2.5D/3D 应用时间晚于台积电,产品定位以封装自家产品为主。英特尔也在积 极布局 2.5D/3D 封装领域,其封装产品量产时间晚于台积电,其 2.5D EMIB 技术可以对 标台积电的 CoWoS 技术,3D Foveros 技术可以对标台积电的 InFO 技术,根据英特尔目 前的计划,其封装技术将用在自家系列的产品上,因此预计对于市场造成的冲击影响较小。

1) EMIB:2017 年发布,全称为 Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,属于 2.5D 技术(横向),使用嵌入在封装基板内、用来连接裸晶的硅桥(Silicon Bridge) ,与 台积电 CoWoS-L 有异曲同工之妙,但台积电使用的是扇出型晶圆级制程 RDL(重布 层),而英特尔使用的是基板,EMIB 的好处是提供高带宽、低功耗的连接,坏处是 不利裸晶多且互连要求高的产品,于 2019 年已经开始量产,目前已出货超过 200 万个以 EMIB 封装的芯片。

2) Foveros:2018 年推出,对标台积电的 InFO,属于 3D 技术(纵向),最下边是封 装基底,基底之上安放一个底层芯片(Bottom Chip),起到主动中介层(Active Interposer)的作用,底层芯片之上就可以放置各种不同的芯片或模块,两者用面对 面的方式连接(Face-to-Face bonding),而在底层芯片里有 TSV 3D 硅穿孔,负责连 通上下的焊料凸起(Solder Bump) ,让上层芯片和模块与系统其他部分连通,最后 再将底层芯片与基板连接,完成内部封装。

3) ODI:2019 年推出,全称为 Omni-Directional Interconnect 技术,为封装中小芯片 之间的全方位互连,存在于基板与芯片之间,可以通过远大于传统封装技术的密度 来进行埋线和布置连接针脚,从而在保证芯片在供电时实现更高的互联带宽,藉由 ODI,顶部的芯片可以像 EMIB 一样,与其他小芯片进行水平通信,还可以像 Foveros 一样,通过 TSV 与下方的底部裸片进行垂直通信,ODI 有发展出两种类 型。ODI 直接从封装基板向顶部裸片供电,比传统硅通孔更大、电阻更低。

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3. 三星

三星 2.5D/3D 技术发布时间晚于台积电和英特尔,应用产品仍较少。三星 2019 年成 立 SAFE 专注于先进封装技术开发,目前旗下有 2.5D 的 I-cube 对标台积电 CoWoS 和英 特尔 EMIB、3D X-cube 对标台积电 InFO 和英特尔 Foveros。自 2016 年被台积电抢走苹 果处理器订单后,三星开始在先进封装领域大力布局,目前对应的产品推出时间都晚于台 积电和英特尔,处于落后状态,应用产品仍少。但在 3D IC 方面,三星具有优势,因为三 星同时拥有存储器 DRAM 和处理器的制造技术,而台积电并没有先进 DRAM 技术,因此在 3D 异质整合上三星或具优势。

1) I-Cube:2018 年推出,全称为 Interposer-Cube,属于 2.5D 封装技术,对标台积 电 CoWoS 和英特尔 EMIB,有需要基板的硅中介层、及使用扇出型晶圆级做重布 线层两种方案,分别可以对应 CoWoS-S 和 CoWoS-R,目前量产较少,百度 AI 昆 仑芯片即是采用 I-Cube 封装代表产品。

2) X-Cube:2020 年推出,全称为 eXtended-Cube,属于 3D 封装技术,对标台积电 InFO 和英特尔 Foveros,应用 TSV 硅穿孔实现堆叠,目前能够做到将 SRAM 层堆 叠在逻辑层之上,制程为 EUV 工艺,X-Cube 已经在自家的 7nm 和 5nm 制程上面 通过了验证。

4. 日月光

日月光 2.5D 封装技术先驱,3D IC 封装持续开发测试阶段。日月光为全球最大封测 厂,技术最领先及产品面最广,为 2.5D/3D 封装技术先驱之一,研发时间超过十多年,推 出了世界上第一个配备高带宽存储器(HBM)的 2.5D IC 封装的批量生产。目前公司 2.5D 封装实现方式为 TSV 中介层连接以及用扇出型晶圆级封装的重布线连接,2.5D 技术基本 上与台积电 CoWoS、英特尔 EMIB、三星 I-Cube 为同一层级技术实现。3D 封装主要透过 扇出型封装堆叠完成,对标台积电 InFO-PoP。日月光 2015 年就开始量产 2.5D 封装,超 威、辉达等均为第一批客户,目前正在积极开发 3D IC 堆叠技术,日月光为 OSAT 中技术 最顶尖的厂商之一。

5. 长电科技

长电与日月光实力相近,封装可区分三大类。长电科技的 2.5D/3D 封装可以依结构分 为三大类,封装等级、晶圆级等级、硅互连等级。封装等级为需要基板和引线框架的封装, 系列包含堆叠芯片封装 Stacked Die(SD)、层叠封装 PoP、封装内封装 PiP;晶圆级等级 为晶圆级封装,运用 RDL 重布线进行互连;但硅互连尚未实现。长电持续朝向类似台积 电 SoIC 的 3D IC 发展,不需中介层也不需载版。长电科技的所提供的技术与日月光相近。

OSAT 在 2.5D/3D 封装优势不大,但仍具发展空间。从上面的技术实现来看,2.5D/3D 封装晶圆制造厂领先,封测厂优势不大,前段涉及晶圆制造部分封测厂无法完成,中后段 面临晶圆代工厂与 IDM 的压力。但台积电、英特尔、三星目前的发展定位均聚焦于自身客 户的产品封装,因此封测厂在规模日益增加的 2.5D/3D 封装市场仍是有巨大发展空间,国 内厂商目前 2.5D/3D 封装仍有待精进,最具代表性厂商的为长电科技。

国内先进封装:长电科技为首,逐步走向市场前沿

市场规模:2020 年规模超 900 亿元,国产替代加速

全球前十大芯片买家中,国内厂商占五席,未来将带动先进封装产能向国内转移。根 据集微咨询统计,2020 年中国先进封装营收规模 903 亿元,占整体封装营收比重 36%。 根据 Yole 统计,2020 年全球先进封装市场规模 304 亿美元,占整体封装比重 45%,我国 与全球水平仍存在一定差距。根据 Gartner,2021 年全球芯片十大买家里,中国企业占 5 家,包括联想、步步高、小米、华为、鸿海,合计占全球总购买量的 15.4%,金额高达 901 亿美元。我们认为,国内终端厂商芯片需求量大,未来仍有望持续增长;在国内芯片设计、 产能、制造工艺逐渐成熟的趋势下,先进封装有望紧跟国产替代浪潮,市场潜力巨大。

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重点公司:聚焦四大封测厂商,龙头长电科技技术领先

对标行业龙头,国内四大封测厂后发优势显著。近年来,国内封测企业通过外延式扩 张获得了良好的产业竞争力,大陆封装企业依托下游市场的带动,在营收增速方面显着优 于海内外同类企业。从毛利率水平看,由于封测行业技术水平演进不显著影响毛利率,因 此封测行业龙头企业的毛利率稳定在 16%左右,与毛利水平分化明显的晶圆代工业相比, 技术不是绝对壁垒,后发企业同样有机会分享蛋糕。长电科技、通富微电、华天科技前三 家国内头部封测厂毛利率水平都比较稳定。长电科技随着客户关系的稳定、经营的持续优 化,毛利率水平逐步回升,2020/2021/22Q1 分别为 15.5%、18.4%、18.9%,目前毛利率 已提升至国内三大封测厂首位。晶方科技作为国内细分领域封测厂商代表,虽然营收体量 低于三大封测厂,但增速较快,得益于在 CMOS 影像传感器晶圆级封装的优势,毛利率 水平约 50%,远高于行业平均水准。

1. 长电科技

先进技术覆盖广,与中芯国际关系紧密,为国内先进封装领先厂商。国内第一大和全 球第三大的封测厂,2021 年公司先进封装产品销量占比 44%,营收占比超 60%,公司预 计营收占比将持续提升。公司先进封装技术包括 FC、TSV、SiP、2.5D/3D、晶圆级等产 品,为国内先进封装最突出的厂商,产品聚焦 5G 通信类、高性能计算、消费类、物联网、 汽车电子和工业等重要领域。长电科技在 SiP 方面大力布局,旗下多个厂均有相关业务, 2.5D/3D 封装亦为世界一流的水准,产品覆盖与日月光旗鼓相当。2022 年公司推动技术开 发 5 年规划,面向 5G/6G 射频高密度,超大规模高密度 QFN 封装,2.5D/3D chiplet,高 密度多叠加存储技术等先进技术开展前瞻性研发,公司计划 2022 年 Capex 为 60 亿元, 其中 70%投资先进封装,并重点聚焦 5G、汽车电子、大数据存储等热门封装领域。此外, 长电科技与中芯国际合作紧密,中芯国际为长电科技股东之一,在需要前道工艺辅助的 2.5D/3D 封装技术,双方有望在半导体产品的制造和封测环节协同合作,增强长电科技较 其他 OSAT 厂的差异化竞争优势,进而提升其市场地位,我们持续看好长电科技在国内先 进封测的领先优势。

2. 通富微电

通富微电以 CPU、GPU 高端封测为主,倒装封装为主要应用技术。通富微电是国内 第二大和全球第五大的封测厂,公司的六大生产基地有四个面向先进封装,目前先进封装 营收占比已超 70%。通富微电的封装主要应用于 CPU/GPU,2015 年并购 AMD 苏州和滨城封测厂获得高脚数 FC(倒装)技术,包括 FCBGA、FCPGA、FCLGA、MCM,目前 公司已具备 Chiplet 封装的大规模生产能力,并能够支持 7/14/16 纳米节点,正向 5nm 进 阶,已实现 5nm 产品的工艺能力和认证。此外 SiP 方面公司也有布局,2018 年,SiP NB-IoT 制造的产品成功招标进入中国电信等运营商模组解决方案,公司 2.5D 封装以扇出晶圆级 封装及倒装芯片为主,国产化 CPU 已具备初段自主可控能力,通富微电 CPU/GPU 专用 封测能力行业领先,有望优先受益。

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3. 华天科技

华天科技以传统封装为基,CIS 封装为突破口,进击先进封装。华天科技为国内第三 大,全球第六大的封测厂,公司技术包括 DIP、SOT、QFP、QFN、BGA/LGA、FC、SiP、 Fan-Out 等低到高端系列。公司目前由传统封装贡献大半营收,同时积极向先进封装拓展。 产线布局来看,旗下华天西安厂区以 SiP 封装为主轴,华天昆山及华天南京聚焦其他先进 封装,包括 2.5D/3D 封装、晶圆级封装等。产能来看,华天科技 2021 年晶圆级电路封装 产量 143.51 万片,发展空间仍大。公司于 2021 年 1 月非公开发行募集资金,计划投入 50 亿元进行产能扩充及研发测试,大部分的资金将布局先进封装,其中 11.5 亿元用于高 密度 SiP 产能扩产,达产后年产量 15 亿只,另有 9.8 亿元加码 TSV/FC 技术产业化,规 划年产能为晶圆级封测产品 33.60 万片、FC 产品 4.8 亿只。公司以 2.5D TSV 技术封装的 CIS 为突破口进军先进封装,以定增募投项目加速产能提升,未来有望持续完善技术及产 品布局。

4. 晶方科技

晶方科技聚焦传感器封装,营收近九成是晶圆级,差异化竞争策略下净利率领先行业。 晶方科技主营业务为传感器领域的封装测试业务,相较前三家产商定位具有差异化,产品 主要包括影像传感器芯片、生物身份识别芯片、微机电系统芯片(MEMS)、环境光感应 芯片、射频芯片等。公司先进封装技术围绕 TSV 技术开展实现 WLCSP 封装,相关技术 包括适用于指纹的 ETIM™ (Edge Trench Interconnect Module) ,用于用动传感的 HCSP™ 密封芯片尺寸封装技术,公司专注于传感器领域持续提升竞争力,在细分领域市 场地位突出。2013 年建成全球首条 12 寸晶圆级封装产线,公司 2020 年募资投入 12 寸 TSV 及异质集成智能传感器模块项目,持续扩产高端封测产能。公司晶圆级产品营收占比 88%,领先行业,同时差异化竞争之下,公司 2019-2021 年毛利率分别为 39.0%、49.2%、 52.3%,远超行业不足 20%的水平。我们预计随高端封测新产能逐步释放,公司营收及盈 利水平有望再升。

5. 环旭电子

环旭电子为 SiP 微小化业务与传统 ODM/EMS 并进的电子零部件龙头,积累 SiP 从 封测到系统端的组装整体解决方案能力。我们测算其 2021 年 SiP 业务营收占比超 60%。 公司是全球最大半导体封测公司日月光半导体的控股孙公司,目前已成长为全球电子设计 制造领导厂商,在 SiP 模块领域居行业领先地位,公司早在 2013 年就开始致力于可穿戴 产品相关 SiP 模组的微小化、高度集成化开发,近年来借助日月光的制程能力积累 SiP 从 设计到制造的组装整体解决方案的经验。公司深度绑定 A 客户,已导入其智能手表、智能 手机、TWS 耳机、AirTags 等产品,短期看 A 客户智能手机出货量成长性以及 5G 毫米波 机型出货量占比提升,以及智能手表/TWS 耳机下游持续放量高速增长;同时,公司积极 拓展非 A 端客户,夯实中长期发展根基,目前 SiP 模组产品已应用于安卓端智能手机、手 环、手表等产品,出货量持续成长。公司未来有望主导非 A 端 SiP 设计及制程,赋予公司 更高的产业链地位与盈利水平。

长电科技国内领先,有望以龙头之姿引领国内先进封装行业。国内四大封测厂目前的 先进技术涵盖 FC、SiP、晶圆级封装、2.5D/3D,其中晶圆级封装、2.5D/3D 的技术与国 际一线厂商相比仍然不足,长电科技为国内先进技术涵盖范围最广的厂商,同时也具国际 一线实力;通富微电主打 CPU/GPU 的先进封装;华天科技晶圆级产品以晶圆级 CIS 为主 并涵括射频 SiP;晶方科技以晶圆级 2.5D/3D 传感器为发展主轴。整体而言,中国的先进 封装仍在快速发展期,长电科技领先,通富微电、华天科技及晶方科技次之。在国产替代 加速阶段,封测厂先进封装发展潜力巨大,行业龙头有望引领国内先进封装行业。

设备供应链:与晶圆制造有所重叠,设备有望部分实现国产替代

先进封装设备类似前道晶圆制造设备,供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装 的发展,Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到 的设备也越先进。以长球凸点为例,主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等,因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等,材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。先进 封装的设备材料与前端制造开始有所重叠,而不再只是传统封装所需要的减薄机、划片机、 贴片机、引线键合机、激光打标机,设备材料变得更为先进,刺激设备厂商应先进封装需 求而增长。

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国产设备有望部分实现国产替代。国内先进封装市场的机器设备可以做到部分的国产 替代,设备包括刻蚀机、光刻机、PVD/CVD、涂胶显影设备、固晶焊线设备、清洗设备、 测试机等,国内厂商已经打进国内先进封装厂产线。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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