现在 ,AI 芯片的短缺,缺的不仅仅有芯片,还是台积电等封装厂的CoWoS 封装产能。目前,台积电、三星、英特尔等大厂加强对先进封装的能力。
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。
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(wafergrinding)、晶圆切割(waferSaw)、芯片贴装(DieAttach)、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。
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。
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(ChipProbing)和封装之后的芯片成品测试(FinalTest)。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。
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。
世界集成电路产业三业结构(设计:晶圆:封测)的合理占比为3:4:3。根据中国半导体行业协会统计,2022年中国集成电路产业销售额为12006.1亿元,其中,设计业、制造业、封测业销售额分别为5156.2亿元、3854.8亿元、2995.1亿元,三者占比依次为42.9%:32.1%:24.9%。因此,中国集成电路封装测试业的比例处于比较理想的位置。
随着AI浪潮席卷全球、政策层面积极助力、库存压力逐步释放,国内半导体产业链的短板有望迎来新窗口期,而先进封装、高端封装材料等封测领域有望率先受益。《中国半导体封测产业回顾与展望》报告指出,2023年我国封测行业销售额预计将达3060亿元,同比增长8.4%,增速远高于设计业与制造业,我国封测业未来市场潜力巨大。
在封测环节内部,封装环节占据封测价值量的绝大部分。据Gartner统计,封装环节价值占比为80-85%,而测试环节价值占比仅为15%-20%。
半导体封装设备包括减薄机、划片机、贴片机、固化设备、引线焊接/键合设备、塑封及切筋设备、清洗与搬运设备等。
当封装所采用的原材料类型不同时,封装产品的特质往往也有一定差异。目前常见的封装材料包括陶瓷、塑料和各类金属,封装原材料的性能与半导体封装产品的质量息息相关。
通常来说,从四个方面评价电子封装材料的性能:一是工艺性能,如黏度、流动性、凝胶化时间、后固化时间及温度等;二是湿-热机械性能,如热膨胀系数(CTE)、弯曲模量与强度、热导率、潮气扩散系数等;三是电学性能,如介电常数、击穿强度、损耗因子等;四是化学性能,如易燃性、离子杂质数量等。其中,工艺性能从工艺的角度进行评价,而其他三个性能从性能与功能的角度进行评价。
本章节所讨论的封装行业上游原材料主要指的是封装过程中的耗材。封装材料包括切割材料、芯片粘连材料、键合引线、封装基板、引线框架、包封材料、连接材料。根据SEMI报告,2022年,封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板及芯片粘结材料的市场规模在世界封装材料市场规模的占比分别为40%、15%、15%、13%、11%及4%。而封装材料的门槛相对晶圆材料门槛较低,中国目前已实现进口替代。
用一句话概括半导体封装中各种原材料的用途:半导体封装是使用切割材料将成品晶圆切割成小块芯片,然后使用芯片粘连材料、键合引线将芯片固定在封装基板或引线框架之上,最终在芯片表面覆盖包封材料(模塑料)并用连接材料将其连接于底板的过程。
全球封装材料市场规模保持高速增长。根据SEMI的报告,2022年全球半导体封装材料市场规模达到280亿美元,较2021年同比增长17%。值得注意的是,全球封装材料市场规模已连续三年保持10%以上的同比增长率。
而受益于下游及终端应用领域的快速增长,近年来我国封装材料市场需求井喷式扩张,行业整体呈现也稳步增长趋势。2022年我国半导体封装材料市场规模已达462.9亿元,其中引线亿元,封装基板市场规模105.3亿元,其他材料238.9亿元。
封装基板,又称IC载板,是一类用于承载芯片的线路板,它属于PCB的其中一个分支。封装基板具有高密度、高精度、高性能、小型化及轻薄化的特点,可为芯片起到支撑、连接、散热和保护的关键作用。封装基板的产品工艺随着封装形式的发展而不断演进,历经从减成法到半加成法、从打线到倒装、从有机基板到复合基板等多次升级。
引线框架是指用于连接半导体集成块内部芯片的接触点和外部导线的薄板金属框架,在半导体封装材料市场中占比达15%。引线框架主要由两部分组成:芯片焊盘和引脚。在封装过程中,芯片焊盘为芯片提供机械支撑,而引脚则连接芯片到封装外的电学通路。引线框架借助于键合材料使芯片内部电路引出端(键合点)通过内引线与外引线的电气连接形成电气回路,它起到和外部导线连接的桥梁作用。
键合丝是芯片和引线框架间的连接线。键合丝产品按照材质不同可分为键合金丝、键合铜丝、键合银丝和键合铝丝等。
由于黄金具有化学性能稳定、抗氧化,不与酸和碱发生反应等特性,因此黄金制成的键合金丝具有延展性好、导电性能佳、金丝球焊速度快及可靠性高等特点,是键合丝各品种中使用最早、用量最大的一类。
但受到金价较高和键合铜丝生产技术不断发展的影响,近年来,键合金丝占比不断下降,铜丝占比不断提升。而银丝成本也低于金丝,且其键合过程不需要保护气体,所以银丝也成为了除铜丝以外替代金丝的另一种键合丝材料。
包封材料能够避免芯片发生机械或化学损伤,并保证芯片功能稳定实现。因此,包封材料又被称为集成电路的“外壳”。
我国半导体封装中90%以上采用塑料封装,而在塑料封装中,有97%以上利用环氧塑封料(EMC)作为包封材料。因此,环氧塑封料已成为半导体行业发展的关键支撑产业。
封装技术具有多种分类口径。目前主流的分类方式包括按组装方式分类、按引脚分布形态分类、按封装材料分类和按气密性分类等。
封装技术几乎覆盖了所有科学技术领域。除了信息技术、工业技术外,封装技术还涉及物理学、化学、电子工程、计算机工程、机械工程、材料科学与工程、化学工程、商学、经济学、管理学及环境工程学等。其中,封装主要包含了三个方面的技术,即电学、材料科学与工程和机械学方面的技术。
半导体封装技术与器件的硬件结构关系紧密。硬件结构可以分为有源元件和无源元件:有源元件是指需要外部电源才能实现特定功能的器件,例如半导体存储器和逻辑半导体;无源元件是指不具备放大或转换电能等主动功能的器件,例如电阻器和电容器。
电子封装技术涵盖的内容广泛,根据硬件结构的装载顺序,封装大体可分为0级封装到3级封装四个不同等级。
微电子产业的发展给封装技术带来全新要求。随着集成电路产业的高速发展,需要集成在芯片上的功能日益增多,整个系统的功能都需要集成在一块芯片上,因此芯片的集成度标准提高。除此之外,为了轻便或便于携带,小型化也是芯片发展的一个重要趋势。集成电路的不断发展对电子器件的封装技术提出越来越高的要求。
目前半导体封装技术可分为基板型封装和晶圆级封装。根据有无焊线,基板型封装可分为传统封装与先进封装,而晶圆级封装本身即属于先进封装。此外,使用倒装(FC)技术、硅通孔(TSV)技术、多芯片组件技术(MCM)等先进技术也是先进封装的主要特征之一。
目前,业界主要以是否采用焊线为标准,区分传统封装和先进封装。二者的主要区别在于产品工艺复杂程度、封装形式、封装技术、封装材料是否为行业前沿等。
相较于先进封装,传统封装具有性价比高、产品通用性强、使用成本低、应用领域广等优点。由于汽车、消费电子中采用的模拟芯片、功率器件、分立器件、MCU等核心芯片对于小型化和集成化的要求较低,对可靠性和稳定性的要求较高,因此传统封装市场仍将保持稳定成长。
根据Yole统计,2022年,全球传统封装市场规模约为430亿美元,仍大于先进封装市场规模;预计传统封装市场规模在2021-2026年的CAGR为2.3%,增长稳定。
摩尔定律由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出,其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数。