2024半导体封装设备行业深度报告

半导体封装设备行业深度：后摩尔时代封装技术快速发展封装设备迎国产化机遇证券研究报告证券研究报告··机械行业深度报告机械行业深度报告证券分析师 ：周尔双执业证书编号：S0600515110002联系邮箱：zhoues@dwzq.com.cn研究助理：李文意执业证书编号： S0600122080043联系邮箱： liwenyi@dwzq.com.cn2024年4月15日请务必阅读正文之后的免责声明部分 ⚫后摩尔时代渐进，先进封装快速发展。随着先进制程工艺逐渐逼近物理极限，越来越多厂商的研发方向由“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装快速发展。先进与传统封装最大区别在于芯片与外部电连接方式，先进封装省略引线，采取传输速度更快的凸块、中间层等，主要包括凸块（ Bump ）、倒装（Flip Chip）、晶圆级封装（Wafer level package）、再分布层技术（RDL）和硅通孔（TSV）技术等。⚫我国封测产业链较为成熟，但封装设备国产化率较低。2022年全球委外封测（OSAT）厂商前十大合计占比约78%，基本被中国台湾和中国大陆厂商包揽，中国台湾日月光、安靠等合计占比约41%，中国大陆长电科技、通富微电占等合计占比约25%；但国内缺乏知名封装设备商，封装设备国产化率不超过5%，主要系产业政策向制程设备等有所倾斜，我们认为未来自主可控背景叠加国产设备商突破，封装设备的国产化率有望进一步提升。⚫传统&先进封装所需设备有一定重合但工艺要求有所变化，设备增量主要在于前道图形化设备。（1）传统后道设备：①减薄机：可分为转台式磨削和硅片旋转磨削两种方式，先进的多层封装芯片厚度都在100μm以下甚至30μm以下，增大减薄难度；②划片机：目前以砂轮划片机为主导，激光划片机补充，激光切在超薄硅晶圆、低k介质晶圆、小尺寸及 MEMS 芯片方面凸显出重要优势；③固晶机：对设备的效率和精度要求提高，关键在于视觉对位系统、运动控制等；④键合机：过去传统多为引线键合，但晶圆级封装技术快速发展，如临时键合&解键合是处理超薄晶圆背面制程工艺的关键支撑，混合键合仅通过铜触点实现短距离电气互连；⑤塑封机：转注封装多用于传统封装，先进封装背景下压塑封装为未来趋势；⑥电镀机：传统封装中电镀机主要在封装体的特定部位上沉积金属层，随着先进封装发展，例如凸块、 RDL、 TSV等均需要电镀金属铜进行沉积。（2）新增前道图形化设备：先进封装与传统封装工艺流程最大的区别在于增加了前道图形化的工序，主要包括PVD或CVD等薄膜沉积设备、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、电镀机等，如TSV需要硅刻蚀钻孔、需要PVD来制作种子铜层，凸块也需要涂胶显影、光刻、刻蚀来制作更精细的间距。⚫他山之石可以攻玉，海外龙头经验借鉴。（1）减薄机&划片机：龙头为日本DISCO、东京精密等，二者合计份额在70-90%左右，其中DISCO为切磨抛设备+刀轮、磨轮耗材龙头，国内布局减薄机的主要有华海清科、迈为股份、晶盛机电等，划片机主要有迈为股份、光力科技、大族激光、德龙激光等；（2）固晶机：Besi和ASM占据全球前两位，CR2在60%左右，国内主要为新益昌、快克智能等；（3）键合机：海外K&S（库力索法）、ASM为半导体引线键合机龙头，CR2约80%，国内主要为奥特维等，晶圆键合机龙头为奥地利EVG、德国SUSS等，CR2约70%，国内主要为拓荆科技、芯源微等。⚫投资建议：重点推荐晶盛机电（减薄机）、拓荆科技（键合机）、盛美上海（电镀机）、迈为股份（切磨抛+键合机）、华海清科（研磨机）、奥特维（键合机）、大族激光（切片机）、芯源微（键合机）、德龙激光（切片机）；建议关注新益昌（固晶机）、光力科技（切片机）、快克智能（固晶机）、文一科技（塑封机）、耐科装备（塑封机）等。⚫风险提示：封装设备需求不及预期、封装设备技术研发不及预期、行业竞争加剧。2 目录3传统&先 进 封 装 设 备 有 一 定 重 合 （ 减 薄/划片/固晶/键 合 ） ， 增 量 主 要 在 于 前 道 图 形 化 设 备2半 导 体 封 装 概 览 ： 后 摩 尔 时 代 渐 进 ， 先 进 封装 快 速 发 展145本 土 重 点 公 司他 山 之 石 可 以 攻 玉 ， 海 外 龙 头 经 验 借 鉴36风 险 提 示投 资 建 议 数据来源：半导体行业观察，东吴证券研究所⚫封装的核心是实现芯片和系统的电连接。芯片封装是指将芯片密封在塑料、金属或陶瓷等材料制成的封装体内，使芯片与外部环境之间建立一道屏障，保护芯片免受外部环境影响，同时封装还提供了一个接口，使芯片能够与其他电子元件进行连接，以实现信息的输入输出。封装经历硅片减薄、硅片切割、芯片贴装、芯片互连、成型、去飞边毛刺、切筋打弯、上焊锡、打码等多道工艺流程。主要功能包括保护芯片、增强热稳定性、提供机械支撑、确保电气连接等。⚫封装工艺可分为0级到3级封装等四个不同等级，一般主要涉及晶圆切割和芯片级封装。0级封装为晶圆（Wafer）切割，1级封装为芯片（Die）级封装，2级封装负责将芯片安装到模块或电路卡上，3级封装将附带芯片和模块的电路卡安装到系统板上。4◆图：半导体封装工艺等级◆图：半导体封装的主要作用 数据来源：《先进封装技术的发展与机遇》，东吴证券研究所⚫封装逐步朝着高速信号传输、堆叠、小型化、低成本、高可靠性、散热等方向发展。（1）高速信号运输：人工智能、5G等技术在提高芯片速度的同时还需要提升半导体封装技术，从而提高传输速度；（2）堆叠：过去一个封装外壳内仅包含一个芯片，而如今可采用多芯片封装（MCP）和系统级封装（SiP）等技术，在一个封装外壳内堆叠多个芯片；（3）小型化：随着半导体产品逐渐被用于移动甚至可穿戴产品，小型化成为一项重要需求。5◆图：集成电路发展路线图 数据来源：艾森半导体招股说明书，东吴证券研究所⚫封装技术大致可分为传统封装和先进封装两类，进入后摩尔时代先进封装技术快速发展。传统封装主要是用引线框架承载芯片的封装形式，而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。随着先进制程工艺逐渐逼近物理极限，越来越多厂商的研发方向由“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装技术得到快速发展。6◆表：传统封装及先进封装具体的封装形式第一阶段20世纪70年代以前通孔插装型封装晶体管封装（TO）、陶瓷双列直插封装（CDIP）、塑料双列直插封装（PDIP）、单列直插式封装（SIP）等第二阶段20世纪80年代以后表面贴装型封装塑料有引线片式载体封装（PLCC）、塑料四片引线扁平封装（PQFP）、小外形表面封装（SOP）球栅阵列封装（BGA）塑料焊球阵列封装（PBGA）、陶瓷焊球阵列封（CBGA）、带散热器焊球阵列封装（EBGA）、倒装芯片焊球阵列封装（FC-BGA）多芯片组封装（MCM）第五阶段晶圆级系统封装-硅通孔（TSV）、扇出型集成电路封装（Fan-Out）等分类传统封装先进封装第四阶段20世纪末开始21世纪前10年开始多层陶瓷基板（MCM-C）、多层薄膜基板（MCM-D）、多层印制板（MCM-L）系统级封装（SiP）、芯片上制作凸点（Bumping）具体典型的封装形式阶段起始时间封装形式第三阶段20世纪90年代以后晶圆级封装（WLP） 数据来源：半导体行业观察， 东吴证券研究所⚫传统封装需要依靠引线将晶圆与外界产生电气连接。将晶圆切割为晶粒后，使晶粒贴合到相应的基板架上，再利用引线将晶片的接合焊盘与基板引脚相连，实现电气连接，最后用外壳加以保护。⚫传统封装大致可以分为通孔插装类封装以及表面贴装类封装。20世纪70年代人们通常采用双列直插式封装（DIP）或锯齿型单列式封装（ZIP）等通孔型技术，即将引线插入到印刷电路板（PCB）的安装孔中；后来，随着引脚数量的不断增加以及PCB设计的日趋复杂，通孔插孔技术的局限性也日益凸显，薄型小尺寸封装（TSOP）、四方扁平封装（QFP）和J形引线小外形封装（SOJ）等表面贴装型技术陆续问世。7◆表：传统封装可分为通孔插装类封装和表面贴装类封装◆图：通孔型和表面贴装型的封装形式对比通孔插装类封装（THP）表面贴装类封装（SMP）引脚数量除PGA外，一般不超过100；PGA不超过500最多可达1000以上（如BGA）封装密度与SMP相比，当具有相同的引脚数量时，封装面积较大，质量较大。芯片面积占封装面积比小，通常在1:10以下与THP相比，当具有相同的引脚数量时，SMP的封装面积为THP的25%-40%，其质量为THP的5%-15%。芯片面积占封装面积比最大可超过1:1.14，非常接近1:1电性能寄生电感、电阻和电容大，信号传输慢寄生电感、电阻和电容小，信号传输快自动化生产体积大，质量大.外形复杂，需要多种插装机体积小，质量小，贴装更容易生产成本材料成本高，生产效率低材料成本低，生产效率高可靠性焊点缺陷率高焊点缺陷率低50%以上 数据来源：SiP与先进封装技术，东吴证券研究所⚫先进与传统封装的最大区别在于芯片与外部系统的电连接方式，省略了引线的方式，采取传输速度更快的凸块、中间层等。先进封装的四要素包括RDL（再分布层技术）、TSV（硅通孔）、 Bump（凸块）、Wafer（晶圆）， 任何一款封装如果具备了四要素中的任意一个，都可以称之为先进封装。在先进封装的四要素中，RDL起着XY平面电气延伸的作用，TSV起着Z轴电气延伸的作用，Bump起着界面互联和应力缓冲的作用，Wafer则作为集成电路的载体以及RDL和TSV的介质和载体。⚫下文我们重点讨论凸块（Bump ）、倒装（FlipChip）、晶圆级封装（Wafer level package）、再分布层技术（RDL）和硅通孔（TSV）。8◆图：先进封装的四要素包括RDL（再分布层技术）、TSV（硅通孔）、 Bump（凸块）、Wafer（晶圆）◆图：根据四要素的先进性排序为Bump、RDL、Wafer、TSV 数据来源：SiP与先进封装技术，半导体材料与工艺，东吴证券研究所⚫（1）凸块（Bump）：是在芯片上制作凸块，通过在芯片表面制作金属凸块提供芯片电气互连的“点”接口，广泛应用于 FC、WLP等先进封装。经过多年的发展，凸块制作的材质主要有金、铜、铜镍金、锡等，不同金属材质适用于不同芯片的封装。9◆表：不同类型的凸块凸块种类主要特点应用领城金凸块由于金具有良好的导电性、机械加工性(较为柔软)及抗腐蚀性，因此金凸块具有密度大、低感应、散热能力佳、材质稳定性高等特点，但金凸块原材料成本高。主要应用于显示驱动芯片、传感器、电子标签等产品封装。铜镍金凸块铜镍金凸块可适用于不同的封装，可提高键合导电性能、散热性能、减少阻抗，大大提高了引线键合的灵活性虽原材料成本较金凸块低，但工艺复杂制造成本相对高。目前主要用于电源管理等大电流、需低阻抗的芯片封装。铜柱凸块铜柱凸块具有良好电性能和热性能具备窄节距的优点。同时可通过增加介电层或RDL 提升芯片可靠性。应用领域较广，主要应用于通用处理器、图像处理器、存储器芯片、ASIC、FPGA、电源管理芯片、射频前端芯片、基带芯片、功率放大器、汽车电子等产品或领域。锡凸块凸块结构主要由铜焊盘和锡帽构成，一般是铜柱凸块尺寸的3~5倍球体较大，可焊性更强。应用领域较广，主要应用于图像传感器、电源管理芯片、高速器件、光电器件等领域。◆图：凸块替代原有的引线将芯片与基底进行连接 ⚫铜柱凸块（Cu Pillar）制造流程主要包括UBM溅射、厚胶光刻、电镀、去胶和UBM刻蚀等工序。①采用溅射或其他PVD的方式在晶圆表面沉积一层铜作为电镀的种子层；②在晶圆表面涂一定厚度的光刻胶并光刻出所需图形；③对晶圆进行电镀，通过控制电镀电流大小、电镀时间等，从光刻胶开窗图形底部生长并得到一定厚度的金属层；④去除多余光刻胶。10数据来源：《基于先进封装的铜柱凸块技术》，东吴证券研究所◆图：铜柱凸块制造工艺流程 数据来源：三星，东吴证券研究所⚫（2）倒装（FlipChip, FC）：通过将芯片颠倒封装在基板上，芯片与外部