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2017年中国封装行业发展趋势及市场规模预测

EETOP 2019-03-13 07:00:27

长久以来半导体产业链中最为人津津乐道的是设计及代工环节,据 Gartner 数据,2015 年全球代工市场营收 488 亿美元,而封装市场营收 255 亿美元,两者比例约为 1.9:1,封装环节市场巨大,不容忽视。半导体封 装是指芯片(Die)和不同类型的框架(L/F)和塑封料(EMC)形成的不同外形的封装体。 半导体芯片并非孤岛,需通过互连的输入、输出(I/O)系统与周边的系统或者电路组成更 加复杂的系统。由于 IC 芯片及其内部的电路非常脆弱,需要封装来支撑和保护。封装的主 要功能包括:提供芯片与外部系统的电器连接,包括电源与信号;提供芯片稳定可靠的工作 环境,对集成电路芯片起到机械和环境保护作用;提供热能通路,保证芯片正常散热。

集成电路产业链

    小尺寸、轻薄化、高引脚、高 速度以及低成本为封装技术发展主要驱动因素。60 年代插入式封装占据主流市场,随计算 机总线控制逐渐由 8 位转向 16 位、32 位,新技术应运而生,80 年代表面贴状技术诞生, SMT技术使电路板尺寸降低约70%,成本降低约50%。晶体管特关键特征尺寸90nm、45nm、 22nm 下对应新型封装形式不断出现,逐渐由引线键合技术(WB)发展到焊球阵列封装 (BGA) ,并逐渐向 3D 封装拓展。

晶体管特征尺寸缩减与封装技术发展对应关系

    受性能驱动和成本驱动影响,封装技术路径大致可分 为四个阶段:第一阶段为上世纪 80 年代以前,封装的主体技术是针脚插装;第二阶段是从上世纪 80 年代中期开始,表面贴装技术成为最热门的组装技术,改变了传统的 PTH 插装形式,通过微细的引线将集成电路芯片贴装到基板上,大大提高了集成电路的特性,而且自动 化程度也得到了很大的提高;第三阶段为上世纪 90年代,随着器件封装尺寸的进一步小型化,出现了许多新的封装技术和封装形式,其中最具有代表性的技术有球栅阵列、倒装芯片和多芯片组件等,这些新技术大多采用了面阵引脚,封装密度大为提高,在此基础上,还出 现了芯片规模封装和芯片直接倒装贴装技术。第四代封装技术以SiP、WLP 和 TSV 为代表, 在凸点技术和通孔技术的基础上,进一步提高系统的集成度与性能。

封装技术发展路径

    自 1965 年“摩尔定律”提出以来,微电子 器件的密度几乎沿着“摩尔定律”的预言发展。目前,芯片特征尺寸 14nm已经实现量产,10nm 正在进行试产,7nm 尚属研发阶段,已接近物理极限,再想通过降低特征尺寸来提高电路密度不仅会大幅提高成本,还会降低电路的可靠性。为了提高电路密度,延续或超越“摩 尔定律”,籍由先进封装技术成为必然。

    SiP 技术将系统或子系统的全部或大部分电子功能配置在 整合型基板内,即将原来的三个封装层次(一级芯片封装、二级插板/插卡封装、三级基板封装)浓缩在一个封装层次内,极大地提高了封装密度和封装效率。WLP 技术直接在晶圆上进行大多数或是全部的封装测试程序,之后再进行切割(singulation)制成单颗组件,封装 尺寸小。TSV技术在芯片钻出通孔,从底部填充入金属, 硅晶圆上以蚀刻或激光方式钻孔, 再以导电材料如铜、多晶硅、钨等物质填满,可以实现三维封装,组装密度可达到200%-300%。

先进封装技术优势

    SiP 是指利用各种堆叠集成技术,将 多个具有不同功能的芯片及被动元件集成到尺寸更小的封装元件上,形成一个系统,以实现电子设计的小型化。其核心是去互联,去 PCB,直接形成一个多芯片封装体以减小体积。 此前, A 客户已经将 SiP推进到其摄像头模组、射频模组和指纹模组,以及手表整体芯片上, 未来,在存储器、无线模组、甚至主芯片等价值量更高的领域都可能采用 SiP。SiP可以最 大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。

SiP 的技术特点

    WLP 晶圆级封装使封装尺寸接近裸片。不同于传统的芯片封装方式(先切割再封测, 而封装后至少增加原芯片20%的体积),晶圆级封装是先在整片晶圆上进行封装和测试,然 后才切割成一个个的 IC 颗粒,因此封装后的体积即等同 IC裸晶的原尺寸。理论上,WLP 由于不需要中介层(Interposer)、填充物(Underfill)与导线架,并且省略黏晶、打线等制程,因此能够大幅减少材料以及人工成本;除此之外,WLP 大多采用重新分布(Redistribution) 与凸块(Bumping)技术作为I/O 绕线手段,因此 WLP 具有较小的封装尺寸与较佳电性表 现的优势,目前多见于强调轻薄短小特性的可携式电子产品 IC 封装应用。

晶圆级封装工艺流程

    TSV 实现硅通孔垂直互联,或成未来 3D 封装主要手段。TSV 在芯片间或晶圆间制作垂直通道,实现芯片间垂直互联。相比引线键合技术以及倒转片技术,TSV 被认为具有高密度集成、电性能提升、异质集成等优势。但由于技术原因目前成本较高,主要应用于图像传感 器、转接板、存储器、逻辑处理器+存储器、RF 模组、MEMS晶圆级 3D 封装等高端封装。 未来若在成本控制方面有所突破,相信 TSV 技术大有取代引线键合互联之势。

典型 TSV 结构

    以 FCCSP 和 FoWLP 为例, WLCSP 极限大致为 500 个 I/O 在 8×8 毫米²的封装中,FoWLP封装面积略大于芯片面积,以摆放 进更多的 I/O。通常认为 FoWLP 较倒装片封装具备成本优势,但其中再分布层(RDL)的成本是整体封装的重要成本组成,标准 WLCSP 具有最低的成本,当封装尺寸和芯片尺寸的比值增大时,低价倒装芯片结构更有利。先进封装虽性能优越,但成本较高。例如晶圆级的系统级封装提供重分布层(RDL)能够将目标线宽/线距(L/S)蓝图由基板级的 10µm/10µm 推进到1µm/1µm。但其工艺难度和复杂性大幅提高,成本也将随着增加,如需建立“class 1”超净间,并配套物理/化学气相沉积(PVD/CVD),化学机械研磨(CMP)等设备,其投资不亚于像晶圆厂级别。根据芯片需求提出性能与成本平衡的封装解决方案将成未来封装厂重要竞争能力。

FCCSP 与 FoWLP 成本与面积关系

    传统封装技术成熟,成 本较低,产能大,重点服务标准元器件、CPU、MCU 等成熟市场;先进封装系统集成密度高,电性能优越,个性化定制能力强,重点服务射频模块、高性能计算(HPC)、 MEMS 等高端市场。以安靠为例,多次封装服务针对不同细分市场:倒装片封装仍适合大部分智能移 动终端、汽车、医疗、可穿戴设备应用;WLPCSP 覆盖集成无源器件、编解码器、功率放 大器、驱动 IC、射频收发器、无线局域网网络芯片、导航系统和汽车雷达等领域;基板级 SiP整合滤波器、混频器、解调器、功率放大器和被动元器件等;晶圆级 SiP 集成高带宽内存(HBM,HMC)、ASIC、高性能运算的图形处理单元和FPGA 等。

传统封装典型应用

五层次服务框架

    2015 年 全球半导体产业总销售额为 2884 亿美元,较 2014 年有所下降。受此影响全球封测行业销 售额由 2014 年的 271.3 亿美元跌至 2015 年的 255.3 亿美元。但据 Gartner 预测,未来数 年全球封测市场仍将保持平稳增长,至 2020年增至 314.8 亿美元,GAGR 为 4.3%,市场 空间依旧广阔。

全球半导体销售额(亿美元)

全球封测市场预测(百万美元)

    预计 2015 年至 2018 年智能手机出货量将由 14.32 亿部上升至 18.73 亿部,CAGR9.4%,为半导体下游终端应用中最大 贡献者。据 Yole 预测,至 2018 年,半导体市场将达到 3900 亿美元,智能手机和平板电脑将贡献 29.5%的市场,居于其后的是计算机市场,但预计增长较慢,复合增长率为 2%。其 后为网络市场,增长率为 5%,2018年为半导体市场贡献 16.4%的份额。

    2015 年先进封装市场(包括 SiP、WLP 以及 TSV 等)12英寸等值晶圆达 2.5 千万片,行业占比 32%。预计 2015 年至 2019 年平稳增长,至 3.7 千万片,行业占比 38%。至 2020年,全球先进封装市场 12 英寸 等值晶圆增至 3200 千万片,中国先进封装产量增至 8 百万片。2014 年,全球先进封装市场 规模达201.5 亿美元,其中 Flip-chip 占比 84%,Fan-Out 封装占比 1%。随着高端 Fan-Out 封装在先进封装中占比2020 年提升至 8%,预计 2020 年先进封装市场规模将达 326 亿美 元,中国市场将至 46 亿美元。

全球先进封装产量预测

大陆先进封装产量预测

    2010年TSV技术加工300mm 等值晶圆为 417868 片,预计 2017 年可加工 9576906片,复合增长率为55.4%,其中逻辑 SiP/SoC 封装为其增长最主要动力,居于其后的是 3D 结构 DRAM。在终端市场上,智能手 机的封装需求将为TSV技术贡献 43%的市场。居于 2、3 名的分别为服务器和平板电脑, 分别贡献13%和6%的市场。随着智能手机以及其他可穿戴设备对芯片数目及芯片性能要求的不断提升,先进封装技术在消费市场中将被最先应用到对体积和性能要求最严格的领域, TSV技术被公认为目前最可能大幅缩小芯片尺寸的技术,将在智能手机市场首先取得最广泛 应用。

TSV 应用市场

    手机在 SiP 下游应用产值占比达 70%,SiP 在手机市场的渗透率很大程度上决定了其未来的发展趋势。智能手机轻薄化和多功能化已成定势,除 iPhone 之外,SiP 将在更多智能手机中得到应用,每部智能手机中使用 SiP 的颗数也会增加。双重效应将在未来三年带来巨大新增市场。据 IDC 预测,2016 年,平均每部 智能手机中有两颗 SiP,10%的渗透率之下,SIP新增市场规模将达到 2.8 亿颗,价值 11.2 亿美元。2017 和 2018 年,SiP 新增市场规模将分别为 38.9 亿美元和 96亿美元。

SiP 下游应用占比

SiP 新增市场规模

    随着 2016 年全球龙头日月光与 2015 年排名第 3 的矽品合并尘埃落定,封测行业超级巨头出现,以 2015 年营收计算占全球28.9%。同期全 球营收榜眼安靠也完成了对全球排名第 6 的日本封测厂商 J-Device 的 100%股权收购,而本土企业长电科技完成收购新加坡厂商星科金朋,排名跃居全球第三。至此,封测行业集中度进一步提升,龙头优势更加突出,行业格局日渐明晰,三巨头格局形成,三家市占率超50%。

2015 年全球封测市场主要厂商营收及份额

以 2015 年营收计并购后三巨头市场份额

    2015 年中国封装市场营收 3017.3 百 万美元,同比增长 28%,预计至 2020 年可达 5484.1 百万美元,2015 年至2020 年 GAGR 12.7%,中国封装产业全球份额将随之由 2015 年的 12%增至 2020 年的 17%。日月光、安靠、飞思卡尔、恩智浦、英特尔等半导体厂商纷纷在大陆设立封装厂,其中飞思卡尔、英特 尔及安靠 2015 年营收进入封装行业前10,国内封装产业发展迅速,产业转移趋势明显。

国内封装市场预测

    到 2014 年底, 国内具有一定规模的 IC 封装测试企业有 85 家,其中本土企业或内资控股企业 27 家,其余均为外资、台资及合资企业。国内封装企业的产能和销售收入近年保持快速增长,在 BGA、 CSP、WLP、FC、BUMP、SiP等先进封装产品市场已占有一定比例,约占总销售额的 25%。 长电科技、通富微电和华天科技跻身国内第一梯队,2015 年毛利率分布为17.27%、21.41% 及 20.68%。

2015 国内前十封装厂商营收占比

2015 年主要本土封装企业营收(百万元)

国内封装企业规模

    受国家集成电路产业扶持政策拉动,至 2020 年,国内 IC 产业将保持CAGR 20% 增长率。同时,本土 IC 封测企业全球并购活动加强,不仅带来大量先进封测技术与知识产 权,也使得国际客户逐渐转向大陆。外加近年国际 IC 封装巨头安靠等在大陆的大量投资,我国 IC 先进封装产业预计将以 CAGR 不低于 18%增速保持增长,预计由 2016 年产量 41.5 亿片增至 2018 年 57 亿片。2020 年,国内先进封装行业规模将达到 46 亿美元 。(来源:中国信息产业网)


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