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半导体封测行业深度报告:摩尔定律重要方向,先进封装大有可为

电子设备2024-05-13杨钟、詹小瑁华福证券玉***
半导体封测行业深度报告:摩尔定律重要方向,先进封装大有可为

摩尔定律重要方向,先进封装大有可为——半导体封测行业深度报告证券分析师:杨钟 执业证书编号:S0210522110003联系人:詹小瑁 执业证书编号:S0210123120002请务必阅读报告末页的重要声明证券研究报告|行业深度研究电子行业评级 强于大市(维持评级)2024年05月13日华福证券华福证券 投资要点Ø半导体景气回暖渐进,封测环节有望充分受益。在需求端,据美国半导体产业协会(SIA)最新发布的报告指出,2024年2月全球半导体行业销售额总计462亿美元,同比增长16.3%,创2022年5月以来的最大增幅。与此同时,2023年11月,全球半导体行业销售额实现自2022年8月以来的首次同比转正,2023年11月至2024年2月,全球半导体销售额持续保持同比正增长,整体呈现出稳步上升的态势。在供给端,据SEMI数据,一方面,到2024年,全球芯片产能将增长6.4%,且中国将引领世界半导体生产量的增长;另一方面,全球前端的300mm晶圆厂的设备支出将于2024年恢复增长。由此可见,半导体行业正多方面释放景气回暖的积极信号。其中,半导体封测环节作为集成电路生产的后道工序,其营收情况与半导体销售额呈高度的一致性。随着半导体景气度和下游需求的逐步修复,封测环节有望率先受益,并开启全新成长。Ø后摩尔时代来临,先进封装大放异彩。随着AI、HPC等高算力需求日新月异,作为算力载体的高性能芯片的需求也随之水涨船高。然而,先进制程的进阶之路已困难重重,一方面,摩尔定律迭代进度的放缓使芯片性能增长的边际成本急剧上升;另一方面,受限于光刻机瓶颈,前段制程的微缩也愈发困难。在此背景下,先进封装因能提升芯片的集成密度与互联速度、降低芯片设计门槛,并增强功能搭配的灵活性,故而已成为超越摩尔定律、提升芯片系统性能的关键途径。相较传统封装,先进封装主要通过Bump、RDL、Wafer、TSV等工艺及技术,实现电气延伸、提高单位体积性能等作用,助力芯片集成度和效能的进一步提升。目前,主流的先进封装方案包括倒装封装、晶圆级封装、2.5D/3D封装以及系统级封装等,整体向连接密集化、堆叠多样化和功能系统化方向发展。据Yole预测,2022-2028年先进封装市场将以10.6%的年化复合增长率增至786亿美元,且2028年先进封装占封装行业的比重预计将达到57.8%,先进封装将成为全球封装市场的主要增长极。Ø乘AI时代之风,Chiplet带来全新产业机遇。Chiplet既是先进封装技术的重要应用,亦是后道制程提升AI芯片算力的最佳途径之一。Chiplet适配AI时代的发展需求,通过“解构—重构—复用”来大幅降低芯片的设计与制造成本,并实现异构重组。目前,Chiplet主要通过MCM、InFO、CoWoS、EMIB等多项封装技术实现,这些先进封装技术横跨2D至3D等多个级别。当前,Chiplet由台积电、英特尔、三星等全球半导体龙头厂商主导,而AMD、Intel、苹果等海外大厂也已在自己的高性能运算芯片中广泛应用Chiplet技术,同时国内厂商亦加速推出Chiplet相关产品,以助力国内芯片产业升级。展望未来,随着Chiplet互连标准(UCle)联盟的逐步完善,Chiplet版图将持续深化,前景可期。Ø投资建议:建议关注重点布局先进封装、核心封装设备及材料的相关企业,包括:封测厂(长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技、气派科技、颀中科技、汇成股份、甬矽电子、华岭股份、伟测科技)、封测材料(深南电路、兴森科技、华海诚科、联瑞新材、康强电子、艾森股份、上海新阳)、封测设备(长川科技、精智达、芯碁微装、快克股份、光力科技、华峰测控)等。Ø风险提示:下游需求不及预期风险、相关企业业务开展不及预期风险、先进封装研发进展不及预期风险、地缘政治风险、市场竞争格局恶化风险。2华福证券华福证券 n第一部分:半导体封测概览n第二部分:半导体封测之——设备分类及工艺原理n第三部分:半导体封测之——主要原材料n第四部分:半导体封测之——封装技术深度解析n第五部分:景气复苏需求回暖,封测环节加速发展n第六部分:投资建议及封测行业相关公司n第七部分:风险提示目录3华福证券华福证券 •封测是封装测试的简称,包括封装和测试两个环节。其中,封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封,并加工为成品芯片的过程,测试则是指利用专业设备对产品进行功能和性能测试。Ø1.1.1 封装的定义、作用与工艺流程•封装,指用特定材料、工艺技术对芯片进行安放、固定、密封,并将芯片上的接点连接到封装外壳上的工艺流程,其可保护芯片性能并实现芯片内部功能的外部延伸。基本的封装工艺流程包括:晶圆减薄(wafer grinding)、晶圆切割(wafer Saw)、芯片贴装(Die Attach)、焊接键合、塑封工艺、后固化工艺、测试、打标工艺(电镀、打弯、激光打印)、包装、仓检、出货等工序。资料来源:中国电子科技集团官网,TOWA公司官网,新阳硅密官网,大族封测招股书,华福证券研究所图表1:半导体封装工艺流程该步骤也称划片,先将晶圆粘贴在蓝膜上,再将晶圆切割成独立的硅片,之后对硅片进行清洗。由于锯刀划出的产品边缘整齐,少有碎屑和裂口,因此目前无论是部分划线还是完全分割硅片,均采用锯刀来进行。前段操作后段操作该步骤指在圆片背面采用机械或化学机械方式进行研磨,将圆片减薄到适合封装的程度。系统轻薄短小的发展方向使得芯片封装后模块的厚度变得越来越薄,因此在封装之前需要将圆片的厚度减薄到可以接受的程度。已切割下来的芯片需要贴装到框架中间的焊盘上,若焊盘尺寸太大,则会导致引线跨度太大,那么在转移成型过程中会造成引线弯曲或芯片位移现象。因此需要进行芯片贴装,以保障电路的完整性。工艺流程工艺原理工艺设备减薄机划片机固晶贴合设备焊线设备晶圆减薄晶圆切割芯片贴装焊接缝该步骤主要用于使引线孔与引脚相连,使芯片可以与外部电路连接;其中使用的引线主要是金线。键合的技术包括热压焊、热超声焊等。这些技术具有容易形成球形、防止金线氧化等优势。塑封、后固化、测试塑封和后固化工艺指在塑封后加热硬化并去除管壳周围多余的材料,防止外部冲击造成损坏,用于对封装的芯片进行保护。塑封工艺主要包括陶瓷封装、塑料封装和传统封装。工作人员把完工的芯片与引线框架包封在一起,然后做预热处理,最后放在封装模上,启动压膜、关闭上下模,使处于半融化状态的树脂被挤到模中,待其充分填充及硬化后可开模取出成品,成品经过测试合格后可进入下一阶段工艺流程。电镀:待管脚成型后,在其表面涂刷防腐材料,避免管脚出现氧化、腐蚀等现象。电镀可提高导电性能、防腐防蚀、增强可焊接性。打弯:将处理后的管脚铸模成型,再将集成电路的条带置于管脚去边成型工具中。激光打印:在已经成型的产品上印制图案,这些图案也是半导体封装工艺的一种特殊标志。打标包装、仓检、出货包装:根据测试结果,将等级相同的产品放进同一包装盒。仓检:入库和出库检验,剔除产品中的残次品,提升产品线的良率。出货:芯片出仓,产品进入物流运输系统。测试设备注塑成型封装设备电镀设备打标机全自动激光打标机41.1 封测的定义、作用与工艺流程华福证券华福证券 Ø1.1.1 封装的定义、作用与工艺流程•封装意义重大。一方面,在芯片制造流程中,IC芯片相当小且薄,稍不注意则会被刮伤损坏,需要对其提供一定的保护;另一方面,因为芯片的尺寸微小,不易以人工安置在电路板上,此时若封装一个较大尺寸的外壳,则会大大降低技术难度。•总而言之,半导体封装可以提升产品的性能,降低技术成本,最终实现良品率的提高和工艺节点的突破,是后摩尔时代技术创新的主流方向之一。其作用主要体现在保护、支撑、连接和散热四个方面。资料来源: 深圳市半导体产业发展促进会,华福证券研究所封装四大作用保护半导体芯片的生产车间有着非常严格的生产条件:恒定的温度和湿度、严格的空气尘埃颗粒度控制和静电保护措施,裸露的芯片只有在这种严格的环境控制下才能正常进行制造。但是,大多时候周围环境很可能不符合需求,过高过低的温度、不匹配的湿度以及各种外界的杂质、静电等等问题会干扰脆弱的芯片。所以厂商需要封测来更好地保护芯片。支撑支撑有两个作用:一是支撑芯片,将芯片固定好便于电路的连接;二是封测完成以后,形成一定的外形以支撑整个器件,使得整个器件不易损坏。连接连接的作用是将芯片的电极和外界的电路连通。其中,引脚用于和外界电路连通,金线则将引脚和芯片的电路连接起来。散热所有半导体产品在工作的时候都会产生热量,而当热量达到一定程度时可能会影响芯片的正常工作。封装后,封装体的各种材料可以带走部分热量,从而进行散热。此外,大多数发热量大的芯片会额外安装一个金属散热片或风扇,以达到更好的散热效果。图表2:封装的四大主要作用1.1 封测的定义、作用与工艺流程5华福证券华福证券 •晶圆测试:Chip Probing,简称 CP,指通过探针台和测试机的配合使用,对晶圆上的裸芯片进行功能和电参数测试。•测试过程:探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置,芯片的端点通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接,测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号。测试结果通过通信接口传送给探针台,探针台据此对芯片进行打点标记,形成晶圆的Mapping,即晶圆的电性测试结果。•晶圆测试系统组成:通常包含支架、测试机、探针台、探针卡等。资料来源:伟测科技招股书,华福证券研究所图表3:晶圆测试示意图资料来源:伟测科技招股书,华福证券研究所图表4:芯片成品测试示意图•芯片成品测试:Final Test,简称 FT,指通过分选机和测试机的配合使用,对封装完成后的芯片进行功能和电参数测试。•测试过程:分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位,被测芯片的引脚通过测试工位上的基座、专用连接线与测试机的功能模块进行连接,测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分选、收料或编带。•芯片成品测试系统组成:通常包含测试机、分选机、测试座等。分选机支架探针台支架测试机61.1 封测的定义、作用与工艺流程Ø1.1.2 测试的定义、作用与工艺流程•测试,指对芯片产品的性能和功能进行测试,并挑选出功能、性能不符合要求的产品。测试主要分为封装之前的晶圆测试(Chip Probing)和封装之后的芯片成品测试(Final Test)。测试在确保芯片良率、控制成本、指导芯片设计和工艺改进等方面起着至关重要的作用。测试机测试机华福证券华福证券 1.2 半导体封测产业链Ø1.2.1 封测产业链及分工环节•从半导体产业链来看,封测位于半导体产业链中游。半导体产业链的上游是软硬件材料及设备,中游是集成电路的设计、生产,下游是终端产品应用。半导体产业链中游包括设计、制造和封测三大环节。封测是产业链中游的最后一个环节,芯片经过封测之后交付给芯片设计厂,再销售给下游终端产品应用企业。•在垂直分工模式中,封测属于最后环节。半导体行业分工模式分为垂直整合(IDM)和垂直分工模式。垂直整合模式是指一家企业完整覆盖芯片设计、制造、封测环节。垂直分工模式中,芯片设计、制造和封测环节分别由芯片设计厂(Fabless)、晶圆代工厂(Foundry)和封测厂(OSAT)完成。资料来源:思瀚产业研究院,华福证券研究所图表6:半导体行业两种分工模式及部分典型企业 资料来源:艾瑞咨询,华福证券研究所图表5:半导体产业链上游:软硬件材料及设备中游:IC设计与生产下游:IC产品与应用技术服务:提供模块化、专业化服务,如IP授权、电路分析、布图分析等EDA工具授权:提供EDA软件工具定期授权与技术开发服务半导体设备:提供IC生产环节所需的设备,可分为制造设备、封装设备、检测设备半导体材料:提供集成电路制造全过程所需的原材料,如硅片、光刻胶、掩膜版、化学试剂等IC设计:通过对集成电路的系统、逻辑、电路和性能的研究设计,转化为物理设计版图IC制造:进行晶圆生产,利用设计版图制作光掩膜版,并以多次光刻的方法将电路图形呈现于晶圆上,最终在晶圆表面/内部形成立体电路I