先進(jìn)封裝技術(shù)將成為突破半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)

點沙成金的半導(dǎo)體行業(yè)

IC封裝就是把Foundry生產(chǎn)出來的芯片裸片（die）封入一個密閉空間內(nèi)，受外部環(huán)境、雜質(zhì)和物理作用力的影響，同時引出相應(yīng)的引腳，最后作為一個基本的元器件使用。IC測試就是運用各種方法，檢測出在制造過程中，由于物理缺陷導(dǎo)致的不合格芯片樣品，主要分為兩個階段：一是進(jìn)入封裝之前的晶圓測試；二是封裝后的IC成品測試。

半導(dǎo)體封測主要流程包括貼膜、打磨、去膜再貼膜、切割、晶圓測試、芯片粘貼、烘焙、鍵合、檢測、壓膜、電鍍、引腳切割、成型、成品測試等。封裝的核心在于如何將芯片I/O接口電極連接到整個系統(tǒng)PCB板上，鍵合是關(guān)鍵環(huán)節(jié)即用導(dǎo)線將芯片上的焊接點連接到封裝外殼的焊接點上，外殼上的焊接點與PCB內(nèi)導(dǎo)線相連，繼而與其他零件建立電氣連接。

1、OSAT將成為封測行業(yè)的主導(dǎo)模式

集成電路封測屬于IC產(chǎn)業(yè)鏈偏下游的行業(yè)，通常封裝和測試都是一體的，即做完封裝后直接進(jìn)行產(chǎn)品的測試。隨著人們對集成電路品質(zhì)的重視，也有測試產(chǎn)業(yè)也逐步從封測產(chǎn)業(yè)獨立出來，成為不可或缺的子行業(yè)。

IDM和OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly&Test，半導(dǎo)體封裝測試代工模式）是半導(dǎo)體封測產(chǎn)業(yè)的兩種主要模式。Gartner數(shù)據(jù)顯示，OSAT模 式一直呈增長態(tài)勢，2013年以后OSAT模式的產(chǎn)業(yè)規(guī)模就超過了IDM模式，2018年OSAT和IDM模式市場占比分別為54%、46%，伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)垂直分工趨勢，OSAT模式將成為封測行業(yè)的主導(dǎo)模式。

2、從傳統(tǒng)封裝技術(shù)到先進(jìn)封裝技術(shù)

集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展是伴隨著集成電路芯片的發(fā)展而發(fā)展起來的，通常而言，“一代芯片需要一代封裝”。封裝的發(fā)展史也是芯片性能不斷提高、系統(tǒng)不斷小型化的歷史。隨著集成電路器件尺寸的縮小和運行速度的提高，對集成電路也提出新的更高要求。

回顧封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，我們按照封裝技術(shù)進(jìn)程，以 2000年為節(jié)點，將封裝產(chǎn)業(yè)分為傳統(tǒng)封裝階段和先進(jìn)封裝階段。

傳統(tǒng)封裝：

傳統(tǒng)封裝技術(shù)發(fā)展又可細(xì)分為三階段。其特點可總結(jié)如下，技術(shù)上：To-DIPLCC-QFP-BGA-CSP；引腳形狀：長引線直插-短引線或無引線貼裝-球狀凸點焊接；裝配方式：通孔封裝-表面安裝-直接安裝；鍵合方式：引線連接-焊錫球連接。

階段一（1980以前）：通孔插裝（Through Hole，TH）時代，其特點是插孔安裝到PCB上，引腳數(shù)小于 64，節(jié)距固定，最大安裝密度10引腳/cm2，以金屬圓形封裝（TO）和雙列直插封裝（DIP）為代表；

階段二（1980-1990）：表面貼裝（Surface Mount，SMT）時代，其特點是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節(jié)距1.27-0.44mm，適合3-300條引線，安裝密度10-50引腳/cm2，以小外形封裝（SOP）和四邊引腳扁平封裝（QFP）為代表；

階段三（1990-2000）：面積陣列封裝時代，在單一芯片工藝上，以焊球陣列封裝（BGA）和芯片尺寸封裝（CSP）為代表，采用“焊球”代替“引腳”，且芯片與系統(tǒng)之間連接距離大大縮短。在模式演變上，以多芯片組件（MCM）為代表，實現(xiàn)將多芯片在高密度多層互聯(lián)基板上用表面貼裝技術(shù)組裝成多樣電子組件、子系統(tǒng)。

先進(jìn)封裝：自20世紀(jì)90年代中期開始，基于系統(tǒng)產(chǎn)品不斷多功能化的需求，同時也由于CSP封裝、積層式多層基板技術(shù)的引進(jìn)，集成電路封測產(chǎn)業(yè)邁入三維疊層封裝（3D）時代。具體特征表現(xiàn)為：（1）封裝元件概念演變?yōu)榉庋b系統(tǒng)；（2）單芯片向多芯片發(fā)展；（3）平面封裝（MCM）向立體封裝（3D）發(fā)展（4）倒裝連接、TSV 硅通孔連接成為主要鍵合方式。具體的先進(jìn)封裝囊括倒裝、晶圓級封裝以及POP/Sip/TSV等立體式封裝技術(shù)，其特征分述如下：

3D封裝技術(shù)：MCM技術(shù)集成多個集成電路芯片實現(xiàn)封裝產(chǎn)品在面積上的集成，那么讓芯片集成實現(xiàn)縱向上的集成則是3D封裝技術(shù)的主要功效。3D封裝可以通過兩種方式實現(xiàn)：封裝內(nèi)的裸片堆疊和封裝堆疊。封裝堆疊又可分為封裝內(nèi)的封裝堆疊和封裝間的封裝堆疊。3D封裝會綜合使用倒裝、晶圓級封裝以及POP/Sip/TSV等立體式封裝技術(shù)，其發(fā)展共劃分為三個階段：第一階段采用引線和倒裝芯片鍵合技術(shù)堆疊芯片；第二階段采用封裝體堆疊（POP）；第三階段采用硅通孔技術(shù)實現(xiàn)芯片堆疊。

倒裝芯片技術(shù)（Flip Chip，F(xiàn)C）不是特定的封裝類型，而是一種管芯與封裝載體的電路互聯(lián)技術(shù)，是引線鍵合技術(shù)（Wire Bond，WB）和載帶自動鍵合技術(shù)（Tape Automated Bonding，TAB）發(fā)展后的更高級連接技術(shù)。WB與TAB的芯片焊盤限制在芯片四周，而FC則將裸芯片面朝下，將整個芯片面積與基板直接連接，省掉了互聯(lián)引線，具備更好的電氣性能。

圓片級封裝技術(shù)（Wafer Level Package，WLP）技術(shù)是在市場不斷追求小型化下，倒裝技術(shù)與SMT和BGA結(jié)合的產(chǎn)物，是一種經(jīng)過改進(jìn)和提高的CSP。圓片級封裝與傳統(tǒng)封裝方式（先切割再封測，封裝后面積至少>20%原芯片面積）有很大區(qū)別，WLP技術(shù)先在整片晶圓上同時對眾多芯片進(jìn)行封裝、測試，最后切割成單個器件，并直接貼裝到基板或PCB上，因此封裝后的體積等于芯片原尺寸，生產(chǎn)成本也大幅降低。WLP又可稱為標(biāo)準(zhǔn)WLP（fanin WLP），隨后又演化出擴(kuò)散式WLP（fan-out WLP），是基于晶圓重構(gòu)技術(shù)，將芯片重新布置到一塊人工晶圓上，然后按照與標(biāo)準(zhǔn)WLP工藝?yán)俳z步驟進(jìn)行封裝。

堆疊封裝（Package on Package，PoP）屬于封裝外封裝，是指縱向排列的邏輯和儲存元器件的集成電路封裝形式，它采用兩個或兩個以上的BGA堆疊，一般強抗下邏輯運算位于底部，儲存元器件位于上部，用焊球?qū)蓚€封裝結(jié)合，主要用于制造高級便攜式設(shè)備和智能手機使用的先進(jìn)移動通訊平臺。

硅通孔技術(shù)（TSV，Through-Silicon-Via）也是一種電路互聯(lián)技術(shù)，它通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實現(xiàn)芯片之間互連。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術(shù)不同，TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV是2.5D和3D封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

系統(tǒng)級封裝技術(shù)（System in a Package，SiP）是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內(nèi)，從而實現(xiàn)一個基本完整的功能。與系統(tǒng)級芯片（System On a Chip，SoC）相對應(yīng)。不同的是系統(tǒng)級封裝是采用不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，而 SOC則是高度集成的芯片產(chǎn)品。

整體而言，封裝技術(shù)經(jīng)歷了由傳統(tǒng)封裝（DIP、SOP、QFP、PGA等）向先進(jìn)封裝（BGA、CSP、FC、WLP、TSV、3D堆疊、SIP等）演進(jìn)。目前全球集成電路主流封裝技術(shù)為第三代封裝技術(shù)，即BGA（球柵陣列封裝）、CSP（芯片級封裝）、FC（倒裝芯片）。其中倒裝芯片封裝技術(shù)被認(rèn)為是推進(jìn)低成本、高密度便攜式電子設(shè)備制造所必需的項工藝，已廣泛應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)城。而第四代封裝技術(shù)，WLP（晶圓級封裝）、TSV（硅通孔技術(shù)）、SIP（系統(tǒng)級封裝）等仍在小規(guī)模推廣中，在技術(shù)升級下它們亦將會成為未來封裝方式的主流。

3、國內(nèi)封裝產(chǎn)業(yè)率先突圍

全球IC封測產(chǎn)業(yè)規(guī)模一直保持著個位數(shù)增長的態(tài)勢（除2014年激增導(dǎo)致2015年數(shù)據(jù)略降外），2017年全球封測行業(yè)收入533億美元，占半導(dǎo)體行業(yè)整體收入的13%，2018年全球封測行業(yè)收入預(yù)計560億美元，保持4.5%的增速。根據(jù)前25名封測廠商所在區(qū)域統(tǒng)計，中國臺灣以53%的銷售額占據(jù)了封測行業(yè)的半壁江山，緊隨其后的為中國大陸和美國，分別以21%和15%的份額排名第二、第三，馬來西亞、韓國、新加坡、日本則分別占據(jù)4%、3%、2%、2%的份額。從市場占比來看，國內(nèi)封裝企業(yè)已經(jīng)進(jìn)駐全球第一梯隊，具備一定的國際競爭力。

當(dāng)前摩爾定律逐漸到頭，IC成本不斷上升，促使業(yè)界開始依靠IC封裝來擴(kuò)大在超越摩爾時代的獲利。因此，得益于對更高集成度的廣泛需求，以及下游5G、消費類、存儲和計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和高性能計算等大趨勢的推動，先進(jìn)封裝將成為推進(jìn)IC封裝產(chǎn)業(yè)的主推動力。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2018年先進(jìn)封裝與傳統(tǒng)封裝占比分別為42.1%和57.9%，同時預(yù)測，截止2024年行業(yè)整體復(fù)合增長率為5%，其中，先進(jìn)封裝占比將達(dá)到49.7%，符合增長率達(dá)8.2%，占據(jù)行業(yè)整體份額的一半；傳統(tǒng)封裝則保持2.4%的復(fù)合增長率，份額逐步縮小。

從先進(jìn)封裝技術(shù)平臺細(xì)分來看，倒轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用最廣，占據(jù)75%左右的市場份額，其次為Fan-in WLP和Fan-out WLP。從未來發(fā)展速度來看，Yole預(yù)測2018-2024年，2D/3D TSV技術(shù)、嵌入式封裝技術(shù)Embedded Die（使用復(fù)合基板）、Fan-out WLP因未來廣闊的市場空間而增速較快，分別將保持26%、49%、26%的復(fù)合增長率。其中Fan-out將主要用于移動互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)、汽車領(lǐng)域；2D/3D TSV技術(shù)將主要應(yīng)用于人工智能（AI）/機器學(xué)習(xí)（ML）、高性能計算（HPC）、數(shù)據(jù)中心、圖像傳感器、微機電領(lǐng)域；Embedded Die技術(shù)則主要應(yīng)用于汽車和醫(yī)療領(lǐng)域。

受益于下游消費電子產(chǎn)業(yè)的崛起以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨勢，中國IC封測行業(yè)快速發(fā)展，自2015年以來，保持兩位數(shù)增長趨勢，遠(yuǎn)高于全球增速水平。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018年我國集成電路封裝測試行業(yè)市場規(guī)模突破2000億元，達(dá)到了2193.9億元，同比增長16.1%。

中國先進(jìn)封裝占比低但成長迅速。雖然近年來國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)在先進(jìn)封裝領(lǐng)域取得較大突破，先進(jìn)封裝的產(chǎn)業(yè)化能力基本形成，但在高密度集成等先進(jìn)封裝方面中國封裝企業(yè)與國際先進(jìn)水平仍有一定差距。目前我國IC封裝市場中，還是DIP、QFP、QFN/DFN等傳統(tǒng)封裝技術(shù)占主體，據(jù)集邦咨詢顧問統(tǒng)計，2018年中國先進(jìn)封裝營收約為526億元，占中國IC封測總營收的25%，遠(yuǎn)低于全球42.1%的比例。國內(nèi)先進(jìn)封裝的市場份額也僅占全球10%左右的市場份額。Yole數(shù)據(jù)顯示，中國封測企業(yè)2018年在先進(jìn)封裝領(lǐng)域加速提高產(chǎn)能，增長率高達(dá)16%，是全球的2倍，其中長電科技在收購星科金鵬之后，其先進(jìn)封裝產(chǎn)品出貨量全球占比7.8%（2017年），排名第三，僅次于英特爾和矽品。

收購兼并是國內(nèi)封測企業(yè)起步的契機。國內(nèi)封裝企業(yè)以長電科技與通富微電為代表，2018年市場規(guī)模分別為233.36億元和71.64，分別占國內(nèi)市場份額的11%和3%。封裝行業(yè)技術(shù)門檻低，需要通過不斷加大投資來提高邊際產(chǎn)出，因此行業(yè)公司往往追求產(chǎn)量規(guī)模的擴(kuò)大。我國封測企業(yè)的快步發(fā)展有賴于開啟對海內(nèi)外的并購，不斷擴(kuò)大公司規(guī)模。如長電科技聯(lián)合產(chǎn)業(yè)基金、芯電半導(dǎo)體收購新加坡封測廠星科金朋，華天科技收購美國FCI，通富微電聯(lián)合大基金收購AMD蘇州和檳城封測廠，晶方科技則購入英飛凌智瑞達(dá)部分資產(chǎn)。

半導(dǎo)體

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展趨勢

后摩爾定律時代

摩爾定律是由Gordon Moore在1965年提出的集成電路特征尺寸隨時間按照指數(shù)規(guī)律縮小的法則，具體可歸納為：集成電路芯片上所集成的電路數(shù)目，每隔18個月就翻一番。在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的前50年，真實晶體管的密度發(fā)展規(guī)律基本遵循摩爾定律，人類社會飛速進(jìn)入信息時代，同時在半導(dǎo)體工業(yè)界也誕生了一大批巨無霸企業(yè)，比如Intel和Qualcomm等等，摩爾定律成為指導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展藍(lán)圖。當(dāng)前半導(dǎo)體制程已拓展至7nm，特征尺寸越來越接近宏觀物理和量子物理的邊界，導(dǎo)致高級工藝制程的研發(fā)越來越困難，研發(fā)成本也越來越高，摩爾定律逐漸到達(dá)極限。

2010年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS）將晶體管密度預(yù)計修訂為：到2013年低，每個集成電路上集成的晶體管數(shù)目增速將會放緩，變?yōu)槊咳攴环?。此外，在摩爾定律面臨來自物理極限、經(jīng)濟(jì)限制等多重壓力的現(xiàn)實下，集成電路技術(shù)潮流分化為延伸摩爾（More Moore）、超越摩爾（More than Moore）和超越CMOS（Beyond CMOS）三個主要方向，系統(tǒng)集成、系統(tǒng)封裝以及新材料新技術(shù)成為行業(yè)技術(shù)突破方向。

延伸摩爾：繼續(xù)以等比縮小CMOS器件的工藝特征尺寸，集成各種存儲器、微處理器、數(shù)字信號處理器和邏輯電路等，以信息處理數(shù)字電路為主發(fā)展系統(tǒng)芯片SoC技術(shù)。目前臺積電、三星技術(shù)節(jié)點已達(dá)到7nm，并在繼續(xù)部署5nm、3nm。當(dāng)前延伸摩爾依舊是行業(yè)技術(shù)發(fā)展的主推動力。

超越摩爾：以系統(tǒng)級封裝SiP實現(xiàn)數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、生物芯片等集成在一個封裝內(nèi)，完成子系統(tǒng)或系統(tǒng)。

超越CMOS：探索新原理、新材料和器件與電路的新結(jié)構(gòu)，向著納米、亞納米及多功能器件方向發(fā)展，發(fā)明和簡化新的信息處理技術(shù)，以取代面料極限的CMOS器件。

芯片自主可控是中國半導(dǎo)體行業(yè)的唯一出路。對中國半導(dǎo)體行業(yè)的管制和封鎖是中美貿(mào)易摩擦沖突主要表現(xiàn)。我們對比中興和華為事件結(jié)果來看，在中興事件中，因為沒有自主可控的技術(shù)儲備，中興最終以繳納10億美元罰款，撤換董事會及高層管理人員和安排美方人員監(jiān)督告終；而在華為事件中，由于華為有自主研發(fā)芯片、掌握5G核心技術(shù)、注重維護(hù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈而贏得與美國的搏擊機會。由此我們可以看出，隨著中國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，面對高端技術(shù)競爭日益激烈，只有發(fā)展高端技術(shù)，實現(xiàn)芯片自主可控，才是中國半導(dǎo)體行業(yè)的唯一出路。

國產(chǎn)化替代成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機。以華為為例，2018年核心供應(yīng)商共有92家，其中大陸廠商22家，臺灣廠商10家，而國外廠商60家，其中33家來自美國，11家來自日本。受制于美國將華為與70家關(guān)聯(lián)企業(yè)列入實體名單影響，使得華為轉(zhuǎn)而注重國內(nèi)市場的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的保護(hù)，從國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，國產(chǎn)化替代成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機。

我們通過回溯行業(yè)發(fā)展周期及產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)趨勢，深入剖析當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展局勢，聚焦半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資機遇。系統(tǒng)集成（SoC）、系統(tǒng)級封裝（SiP）以及新材料新技術(shù)有望成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破關(guān)鍵。

原文標(biāo)題：后摩爾時代下先進(jìn)封裝技術(shù)

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