上海2021年6月30日 /美通社/ -- 過去數(shù)十年來,摩爾定律猶如法則一般引領(lǐng)了半導體行業(yè)的發(fā)展,半導體制程持續(xù)升級,然而,當先進制程技術(shù)已走到5nm、3nm,甚至IBM已經(jīng)發(fā)布了全球首個2nm的芯片制造技術(shù),晶體管大小正不斷逼近原子的物理體積極限。
當制程物理體積到達極限之后,無法再繼續(xù)進步,那就意味著靠制程推動的摩爾定律時代的終結(jié),但與此同時,5G、自動駕駛、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用正快速興起,對芯片的性能要求更高,半導體行業(yè)下一個十年方向在哪里?
2021年6月,AMD宣布攜手臺積電,開發(fā)出了3D Chiplet技術(shù),并且將于2021年年底量產(chǎn)相應(yīng)芯片。AMD總裁兼CEO蘇姿豐表示,該封裝技術(shù)具有突破性,采用先進的hybrid bond技術(shù),將AMD的Chiplet架構(gòu)與3D堆棧結(jié)合,提供比2D Chiplet高出超過200倍的互連密度,以及比現(xiàn)有3D封裝解決方案高出15倍的密度。
作為Fabless和Foundry兩大領(lǐng)域最杰出的代表之一,這兩家企業(yè)對未來半導體行業(yè)的發(fā)展方向做出的判斷以及業(yè)內(nèi)的普遍共識便是:先進封裝技術(shù)的發(fā)展。
一、全球芯片需求巨大,2025年總需求量預(yù)計超過4,000億片
伴隨5G建設(shè)加速、汽車電動智能化、高性能計算機群互聯(lián)規(guī)模的不斷擴大、物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,半導體整體需求陡增。由于新冠疫情,居家防疫和在家工作的情形增加,促使消費電子產(chǎn)品的銷量增加,促進了電路制造服務(wù)領(lǐng)域的強勁成長。2020年全球?qū)τ谛酒男枨筝^既有產(chǎn)能高出了10%-30%。疫情對于芯片制造行業(yè)造成的沖擊,如GPU的短缺,將會持續(xù)到2022年。據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計數(shù)據(jù),2020年全球芯片(IC)總需求量約為2,910億片,到2025年總需求量預(yù)計將達到4,190億片。
全球芯片市場按照下游應(yīng)用場景基本可以分為消費電子芯片、汽車芯片、HPC(高性能計算)/數(shù)據(jù)中心芯片、5G芯片以及物聯(lián)網(wǎng)芯片。
二、摩爾定律失效,先進封裝繼續(xù)壓縮芯片體積
半導體產(chǎn)業(yè)鏈可分為核心產(chǎn)業(yè)鏈與支撐產(chǎn)業(yè)鏈。核心產(chǎn)業(yè)鏈完成半導體產(chǎn)品的設(shè)計、制造和封裝測試,支撐產(chǎn)業(yè)鏈提供設(shè)計環(huán)節(jié)所需的軟件、IP以及制造封測環(huán)節(jié)所需的材料、設(shè)備。
半導體核心產(chǎn)業(yè)鏈主要有設(shè)計、制造和封測三個環(huán)節(jié),形式有IDM和垂直分工兩種。
芯片設(shè)計是芯片的研發(fā)過程,是通過系統(tǒng)設(shè)計和電路設(shè)計,將設(shè)定的芯片規(guī)格形成設(shè)計版圖的過程。根據(jù)IC Insights統(tǒng)計,全球集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)銷售額從2008年的438億美元增長至2020年的1,308億美元,年均復(fù)合增長率約為9.5%。
晶圓制造是指在制備的晶圓材料上構(gòu)建完整的物理電路。過程包括掩模制作、切片、研磨、擴散、光刻、刻蝕、離子注入等核心工藝。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù),2018年全球晶圓產(chǎn)能為1,945萬片/月,預(yù)計到2022年全球晶圓產(chǎn)能將上升至2,391萬片/月,較2018年增長22.93%,年復(fù)合增長率為5.3%。
封裝測試是將生產(chǎn)出來的合格晶圓進行切割、焊線、塑封、切割成型,使芯片電路與外部器件實現(xiàn)電氣連接,并為芯片提供機械物理保護,并利用集成電路設(shè)計企業(yè)提供的測試工具,對封裝完畢的芯片進行功能和性能測試。全球移動通信電子產(chǎn)品、高性能計算芯片(HPC)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及5G等產(chǎn)品需求上升、高I/O數(shù)和高整合度先進封裝迅速發(fā)展是帶動IC封裝測試市場上升的主要原因,封測行業(yè)市場有望迎來高增長。
全球芯片產(chǎn)業(yè)鏈
過去的半個世紀,得益于半導體芯片產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,在摩爾定律的驅(qū)動下,計算力一直保持著大跨度的發(fā)展。盡管改變立體晶體管結(jié)構(gòu)可為摩爾定律續(xù)命,但不斷微縮的晶體管,特別是晶體管的特征尺寸逼近物理極限已是事實。各界紛紛預(yù)測,摩爾定律在不久的將來面臨失效,半導體工藝升級帶來的計算性能的提升將放緩,因新的替代材料和計算方式還未成熟,制程發(fā)展緩慢。
相較于傳統(tǒng)封裝,先進封裝作為制造的后道工序,正不斷前移,持續(xù)壓縮芯片體積、提高加工效率、提高設(shè)計效率,并減少設(shè)計成本。以晶圓級封裝為例,產(chǎn)品生產(chǎn)以圓片形式批量生產(chǎn),可以利用現(xiàn)有的晶圓制造設(shè)備,封裝設(shè)計可以與芯片設(shè)計一次進行。這將縮短設(shè)計和生產(chǎn)周期,降低成本。此外,傳統(tǒng)封裝的封裝效率(裸芯面積/基板面積)較低,存在很大改良的空間。芯片制程受限的情況下,改進封裝便是另一條出路。先進封裝技術(shù)通過以點代線的方式實現(xiàn)電氣互聯(lián),實現(xiàn)更高密度的集成,大大減小了對面積的浪費。
三、什么是先進封裝?
先進封裝技術(shù)主要包括Flip-Chip(倒裝)、Wafer Level Packaging(WLP,晶圓級封裝)、2.5D封裝和3D封裝以及系統(tǒng)級封裝(SiP)等,SiP技術(shù)奠定了先進封裝時代的開局,2D集成技術(shù),如Wafer Level Packaging(WLP,晶圓級封裝)、Flip-Chip(倒裝)以及3D封裝技術(shù)、Through Silicon Via(TSV,硅通孔)等技術(shù)的出現(xiàn)進一步縮小芯片間的連接距離,提高元器件的反應(yīng)速度,未來將繼續(xù)推進著先進封裝的腳步。
下圖是CIC灼識咨詢梳理的目前主要先進封裝工藝的介紹及主要作用:
四、先進封裝時代,封測設(shè)備作用凸顯
- 半導體設(shè)備投資占產(chǎn)業(yè)資本支出60%以上,極易形成壟斷,對于投資至關(guān)重要
半導體設(shè)備支撐著全球上萬億的電子軟硬件大生態(tài),設(shè)備對整個半導體行業(yè)有著放大和支撐作用,其確立了整個半導體產(chǎn)業(yè)可達到的硬性尺寸標準邊際值。因此,半導體產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),而半導體制造設(shè)備又是支撐半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。
設(shè)備投資占半導體產(chǎn)業(yè)資本支出的60%以上,制造、封裝、測試設(shè)備的價值量大,直接影響著半導體生產(chǎn)的技術(shù)水平與良率。封裝行業(yè)精度、技術(shù)門檻高,設(shè)備精度要求在微米級別。由于良品率會導致生產(chǎn)成本的差異,半導體設(shè)備所能提供的良率將直接影響上層產(chǎn)品的盈利能力。根據(jù)思摩爾公司的測算,當良品率從85%提高至90%,毛利率將增加9.06%,當良品率進一步從85%增加至95%,對應(yīng)的毛利率將增加17.3%。
頭部晶圓廠為應(yīng)對各種芯片缺貨不斷擴充產(chǎn)能,廠商紛紛擴大投資;日本、歐美都出臺了相應(yīng)的利好政策。這些因素驅(qū)動了大量半導體設(shè)備的購置需求。在SEMI全球半導體設(shè)備市場統(tǒng)計報告中顯示,2021年第一季度全球半導體設(shè)備的銷售額同比增長51%,比上一季度增長21%,達到236億美元,設(shè)備需求巨大。
根據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計數(shù)據(jù),2020年,全球半導體設(shè)備市場達到724億美元,預(yù)計到2025年將達到1,024億美元,復(fù)合年增長率為7.2%。
隨著先進封裝的不斷推進,SiP技術(shù)、3D封裝等技術(shù)逐漸顯露出巨大潛力,封測設(shè)備在半導體設(shè)備行業(yè)中的占比逐漸提升,CIC灼識咨詢預(yù)測,全球封測設(shè)備在半導體設(shè)備中的占比將從2020年的16.7%提升到2025年的18.6%,市場體量將達到約190億美金。
在封裝流程中,可將其按步驟分為貼片、引線、劃片與測試、切筋與塑封。
各類設(shè)備的市場占比情況如下:貼片機市場占30%,引線機市場約占23%,劃片和檢測設(shè)備占總市場份額的28%,切筋與塑封設(shè)備占比18%,電鍍設(shè)備在封裝設(shè)備行業(yè)中占比最小,大約在1%左右。
無論封裝方式如何演變,封裝過程都離不開貼裝過程。隨著芯片小型化的需求,要求貼片機的精度范圍在3~5微米之間。為了達到精細化的貼裝,封裝廠的先進封裝產(chǎn)線對貼片機的精度、速度、良品率、穩(wěn)定性的要求都非常高,在先進封裝過程中貼片機是最關(guān)鍵、最核心的設(shè)備。
貼片機可按照應(yīng)用的不同分為先進分裝設(shè)備(包括FC封裝貼片機、FO封裝貼片機和2.5D/3D貼片機)和傳統(tǒng)封裝設(shè)備(包括傳統(tǒng)封裝貼片機和疊層封裝貼片機)。貼片機可高速、高精度地貼放元器件,并實現(xiàn)定位、對準、倒裝、連續(xù)貼裝等關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)封裝貼片機的生產(chǎn)速度可達到15千個每小時,疊層封裝可達到2千個每小時,先進封裝中FC封裝貼片機可達8千個每小時,F(xiàn)O封裝貼片機可達6千個每小時,而2.5D/3D貼片機則為2千個每小時。由于FC倒裝設(shè)備是否屬于先進封裝在業(yè)內(nèi)存在爭議,因此晶圓級封裝的貼片機是先進封裝設(shè)備的最典型代表。
其他封裝設(shè)備中包括引線機、劃片機、塑封與切筋設(shè)備以及電鍍機。引線機按照焊接方式可以分為球形焊接和楔形焊接,大部分引線機焊接速度在每秒24根引線。主要應(yīng)用于大功率器件、MOSFET、IGBT、發(fā)光二極管(LED)、激光管(激光)、中小型功率三極管、集成電路和一些特殊半導體器件的內(nèi)引線焊接。由于倒裝技術(shù)的發(fā)展不再需要引線,因此引線機的市場份額會隨著先進封裝時代的發(fā)展而下降。在劃片機領(lǐng)域,大致可分為鐳射切割和刀片切割。鐳射切割主要應(yīng)用于邏輯芯片,控制芯片等高技術(shù)要求的芯片,占比約為15到20%,刀片切割則應(yīng)用于其余的低技術(shù)要求芯片中。劃片機的生產(chǎn)速度根據(jù)統(tǒng)計平均約為6千個每小時。塑封與切筋設(shè)備工作效率可達每小時35千個芯片,電鍍機大約在每小時150千個芯片左右。
五、全球先進封裝設(shè)備頭部玩家梳理
Besi于1995在荷蘭成立,是面向全球半導體和電子行業(yè)的半導體組裝設(shè)備的領(lǐng)先供應(yīng)商,為終端用戶市場開發(fā)領(lǐng)先的組裝工藝和設(shè)備,用于引線框架、基板和晶圓級封裝應(yīng)用。公司產(chǎn)品線涵蓋封裝線上的各類設(shè)備,其中包括18種貼片機設(shè)備。主要覆蓋電子、移動互聯(lián)網(wǎng)、汽車、工業(yè)、LED和太陽能等行業(yè),客戶主要是領(lǐng)先的半導體制造商、組裝分包商以及電子和工業(yè)公司,其中包括ASE、Amkor、富士康、Greatek等多家大型半導體企業(yè)。
ASM Pacific于1975年在香港成立,總部位于新加坡,自1989年起在香港聯(lián)交所上市,是全球首個為半導體封裝及電子產(chǎn)品生產(chǎn)的所有工藝步驟提供技術(shù)和解決方案的設(shè)備制造商。ASM囊括晶圓制造和封裝測試過程中的大部分設(shè)備的生產(chǎn),共有貼片設(shè)備25種,焊線機12種,塑封設(shè)備5種,切筋設(shè)備2種以及6種測試設(shè)備。主要覆蓋CIS、計算機領(lǐng)域、自動化電子設(shè)備、LED、移動通訊等行業(yè)。
Capcon Limited(華封科技有限公司),于2014年在香港成立,研發(fā)中心和生產(chǎn)總部位于新加坡,是聚焦先進封裝設(shè)備領(lǐng)域的高端裝備制造商。公司產(chǎn)品對先進封裝貼片工藝實現(xiàn)了全面覆蓋,包括FOWLP (Face Up/Down)、POP、MCM、EMCP、Stack Die、SiP、2.5D/3D、FCCSP、FCBGA等公司定位在半導體先進封裝領(lǐng)域,針對半導體后道工序提供全新一代先進封裝貼片設(shè)備,如倒裝貼片機、晶圓級貼片機、POP封裝機、層疊貼片機、面板級貼片機、多晶片貼片機等。主要服務(wù)客戶有臺積電、日月光、矽品、長電科技、通富微電、DeeTee等;2020年出貨量在15臺,2021年預(yù)計出貨量在35臺左右。
Kulicke & Soffa于1956年成立,總部位于新加坡,是全球領(lǐng)先的半導體封裝和電子裝配解決方案企業(yè)。近年來,K&S通過戰(zhàn)略性收購和自主研發(fā),增加了先進封裝、電子裝配、楔焊機等產(chǎn)品。主要覆蓋客戶行業(yè)為汽車、消費電子、通訊、計算機和工業(yè)等。
先進封裝中貼片機是最重要的設(shè)備,目前全球貼片機市場的競爭格局為“兩超多強”,Besi和ASM占據(jù)超過全球60%的市場份額,先進封裝貼片機的主要性能參數(shù)為精度與UPH(表征速度),關(guān)鍵商業(yè)指標為是否進入了臺積電的供應(yīng)商名單。
當下對精度和速度要求最高的,最尖端的先進封裝貼片機設(shè)備為TSV/3D封裝以及晶圓級封裝的貼片機,TSV技術(shù)目前仍然臺積電研發(fā)中,因此,我們可以從最尖端的晶圓級封裝貼片機設(shè)備市場的競爭格局中窺見未來市場中最尖端的先進封裝設(shè)備玩家,據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計,目前先進封裝貼片設(shè)備,以出貨量或收入計,市場中Besi、Capcon和ASM幾乎占據(jù)市場絕大多數(shù)體量。
先進封裝作為后摩爾時代一種最為重要和可預(yù)見的解決方案,正在快速崛起并被更多的業(yè)內(nèi)人士認可與接納。從臺積和日月光開始,到國內(nèi)的長電、通富、華天,越來越多的封裝企業(yè)開始布局先進封裝,2021年大量的先進封裝廠投入生產(chǎn),封裝市場炙手可熱。本文主要探討了封裝設(shè)備,尤其是先進封裝設(shè)備市場的情況,我們可以看到,越來越多的新興企業(yè)進入這個行業(yè),助力先進封裝設(shè)備行業(yè)進入繁榮期。未來預(yù)計先進封裝設(shè)備行業(yè)一定會誕生如ASML一般的巨頭,讓我們拭目以待!