探尋下一個時(shí)代的ASML

 

過去數(shù)十年來，摩爾定律猶如法則一般引領(lǐng)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體制程持續(xù)升級，然而，當(dāng)先進(jìn)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(dāng)制程物理體積到達(dá)極限之后，無法再繼續(xù)進(jìn)步，那就意味著靠制程推動的摩爾定律時(shí)代的終結(jié)，但與此同時(shí)，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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jì)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(jì)算機(jī)群互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)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(fèi)電子產(chǎn)品的銷量增加，促進(jìn)了電路制造服務(wù)領(lǐng)域的強(qiáng)勁成長。2020年全球?qū)τ谛酒�的需求較既有產(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(jì)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(jì)將達(dá)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(fèi)電子芯片、汽車芯片、HPC(高性能計(jì)算)/數(shù)據(jù)中心芯片、5G芯片以及物聯(lián)網(wǎng)芯片。

 

資料來源：CIC灼識咨詢

二、摩爾定律失效，先進(jìn)封裝繼續(xù)壓縮芯片體積

 

半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和封裝測試，支撐產(chǎn)業(yè)鏈提供設(shè)計(jì)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(dǎo)體核心產(chǎn)業(yè)鏈主要有設(shè)計(jì)、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(jì)

 

芯片設(shè)計(jì)是芯片的研發(fā)過程，是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，將設(shè)定的芯片規(guī)格形成設(shè)計(jì)版圖的過程。根據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，全球集成電路設(shè)計(jì)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

 

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(kuò)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(jì)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

 

封裝測試是將生產(chǎn)出來的合格晶圓進(jìn)行切割、焊線、塑封、切割成型，使芯片電路與外部器件實(shí)現(xiàn)電氣連接，并為芯片提供機(jī)械物理保護(hù)，并利用集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)提供的測試工具，對封裝完畢的芯片進(jìn)行功能和性能測試。全球移動通信電子產(chǎn)品、高性能計(jì)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(jìn)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

 

資料來源：CIC灼識咨詢

過去的半個世紀(jì)，得益于半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，在摩爾定律的驅(qū)動下，計(jì)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(shí)。各界紛紛預(yù)測，摩爾定律在不久的將來面臨失效，半導(dǎo)體工藝升級帶來的計(jì)算性能的提升將放緩，因新的替代材料和計(jì)算方式還未成熟，制程發(fā)展緩慢。

 

相較于傳統(tǒng)封裝，先進(jìn)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(jì)效率，并減少設(shè)計(jì)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(jì)可以與芯片設(shè)計(jì)一次進(jìn)行。這將縮短設(shè)計(jì)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(jìn)封裝便是另一條出路。先進(jìn)封裝技術(shù)通過以點(diǎn)代線的方式實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更高密度的集成，大大減小了對面積的浪費(fèi)。

 

三、什么是先進(jìn)封裝？

 

先進(jìn)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(jìn)封裝時(shí)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(jìn)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(jìn)著先進(jìn)封裝的腳步。

 

下圖是CIC灼識咨詢梳理的目前主要先進(jìn)封裝工藝的介紹及主要作用：

 

資料來源：CIC灼識咨詢

四、先進(jìn)封裝時(shí)代，封測設(shè)備作用凸顯

 

- 半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)有著放大和支撐作用，其確立了整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可達(dá)到的硬性尺寸標(biāo)準(zhǔn)邊際值。因此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，而半導(dǎo)體制造設(shè)備又是支撐半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

 

設(shè)備投資占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)資本支出的60%以上，制造、封裝、測試設(shè)備的價(jià)值量大，直接影響著半導(dǎo)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(dǎo)致生產(chǎn)成本的差異，半導(dǎo)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(dāng)良品率從85%提高至90%，毛利率將增加9.06%，當(dāng)良品率進(jìn)一步從85%增加至95%，對應(yīng)的毛利率將增加17.3%。

 

資料來源：CIC灼識咨詢

頭部晶圓廠為應(yīng)對各種芯片缺貨不斷擴(kuò)充產(chǎn)能，廠商紛紛擴(kuò)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(dǎo)體設(shè)備的購置需求。在SEMI全球半導(dǎo)體設(shè)備市場統(tǒng)計(jì)報(bào)告中顯示，2021年第一季度全球半導(dǎo)體設(shè)備的銷售額同比增長51%，比上一季度增長21%，達(dá)到236億美元，設(shè)備需求巨大。

 

根據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年，全球半導(dǎo)體設(shè)備市場達(dá)到724億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到1,024億美元，復(fù)合年增長率為7.2%。

 

隨著先進(jìn)封裝的不斷推進(jìn)，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(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(jī)市場占30%，引線機(jī)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(jī)的精度范圍在3~5微米之間。為了達(dá)到精細(xì)化的貼裝，封裝廠的先進(jìn)封裝產(chǎn)線對貼片機(jī)的精度、速度、良品率、穩(wěn)定性的要求都非常高，在先進(jìn)封裝過程中貼片機(jī)是最關(guān)鍵、最核心的設(shè)備。

 

資料來源：CIC灼識咨詢

先進(jìn)封裝的關(guān)鍵設(shè)備 -- 貼片機(jī)

 

貼片機(jī)可按照應(yīng)用的不同分為先進(jìn)分裝設(shè)備(包括FC封裝貼片機(jī)、FO封裝貼片機(jī)和2.5D/3D貼片機(jī))和傳統(tǒng)封裝設(shè)備(包括傳統(tǒng)封裝貼片機(jī)和疊層封裝貼片機(jī))。貼片機(jī)可高速、高精度地貼放元器件，并實(shí)現(xiàn)定位、對準(zhǔn)、倒裝、連續(xù)貼裝等關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)封裝貼片機(jī)的生產(chǎn)速度可達(dá)到15千個每小時(shí)，疊層封裝可達(dá)到2千個每小時(shí)，先進(jìn)封裝中FC封裝貼片機(jī)可達(dá)8千個每小時(shí)，F(xiàn)O封裝貼片機(jī)可達(dá)6千個每小時(shí)，而2.5D/3D貼片機(jī)則為2千個每小時(shí)。由于FC倒裝設(shè)備是否屬于先進(jìn)封裝在業(yè)內(nèi)存在爭議，因此晶圓級封裝的貼片機(jī)是先進(jìn)封裝設(shè)備的最典型代表。

 

其他封裝設(shè)備

 

其他封裝設(shè)備中包括引線機(jī)、劃片機(jī)、塑封與切筋設(shè)備以及電鍍機(jī)。引線機(jī)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(jī)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(dǎo)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(jī)的市場份額會隨著先進(jìn)封裝時(shí)代的發(fā)展而下降。在劃片機(jī)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(jī)的生產(chǎn)速度根據(jù)統(tǒng)計(jì)平均約為6千個每小時(shí)。塑封與切筋設(shè)備工作效率可達(dá)每小時(shí)35千個芯片，電鍍機(jī)大約在每小時(shí)150千個芯片左右。

 

五、全球先進(jìn)封裝設(shè)備頭部玩家梳理

 

Besi

 

Besi于1995在荷蘭成立，是面向全球半導(dǎo)體和電子行業(yè)的半導(dǎo)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(jī)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(dǎo)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(dǎo)體企業(yè)。

 

ASM

 

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(dǎo)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(jī)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域、自動化電子設(shè)備、LED、移動通訊等行業(yè)。

 

Capcon

 

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(jìn)封裝設(shè)備領(lǐng)域的高端裝備制造商。公司產(chǎn)品對先進(jìn)封裝貼片工藝實(shí)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(dǎo)體先進(jìn)封裝領(lǐng)域，針對半導(dǎo)體后道工序提供全新一代先進(jìn)封裝貼片設(shè)備，如倒裝貼片機(jī)、晶圓級貼片機(jī)、POP封裝機(jī)、層疊貼片機(jī)、面板級貼片機(jī)、多晶片貼片機(jī)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(jì)出貨量在35臺左右。

 

Kulicke & Soffa

 

Kulicke & Soffa于1956年成立，總部位于新加坡，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)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(jìn)封裝、電子裝配、楔焊機(jī)等產(chǎn)品。主要覆蓋客戶行業(yè)為汽車、消費(fèi)電子、通訊、計(jì)算機(jī)和工業(yè)等。

 

先進(jìn)封裝中貼片機(jī)是最重要的設(shè)備，目前全球貼片機(jī)市場的競爭格局為“兩超多強(qiáng)”，Besi和ASM占據(jù)超過全球60%的市場份額，先進(jìn)封裝貼片機(jī)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(biāo)為是否進(jìn)入了臺積電的供應(yīng)商名單。

 

當(dāng)下對精度和速度要求最高的，最尖端的先進(jìn)封裝貼片機(jī)設(shè)備為TSV/3D封裝以及晶圓級封裝的貼片機(jī)，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(jī)設(shè)備市場的競爭格局中窺見未來市場中最尖端的先進(jìn)封裝設(shè)備玩家，據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計(jì)，目前先進(jìn)封裝貼片設(shè)備，以出貨量或收入計(jì)，市場中Besi、Capcon和ASM幾乎占據(jù)市場絕大多數(shù)體量。

 

資料來源：CIC灼識咨詢

先進(jìn)封裝作為后摩爾時(shí)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(rèn)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(jìn)封裝，2021年大量的先進(jìn)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(jìn)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(jìn)入這個行業(yè)，助力先進(jìn)封裝設(shè)備行業(yè)進(jìn)入繁榮期。未來預(yù)計(jì)先進(jìn)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!

(新媒體責(zé)編：syhz0808)