中科芯(苏州)微电子科技有限公司
中科苏州微电子产业技术研究院 欢迎您~

2022年01月17日
CN / EN
芯片封装与测试
2020-07-29

封装主要是为了实现芯片内部和外部电路之间的连接和保护作用。而集成电路测试就是运用各种测试方法,检测芯片是否存在设计缺陷或者制造过程导致的物理缺陷。


为了确保芯片能够正常使用,在交付给整机厂商前必须要经过的最后两道过程:封装与测试


封测是集成电路产业链里必不可少的环节,其中封和测是两个概念。从全球封测行业市场规模来看,其中封装和测试占比分别为80%和20%,多年来占比保持稳定。


01 发展历程


封装大致经过了如下发展历程:

1、结构方面:

TO->DIP->PLCC->QFP->BGA->CSP->WLP和SiP等

2、材料方面:

金属、陶瓷->陶瓷、塑料->塑料; 

3、引脚形状:

长引线直插->短引线或无引线贴装->球状凸点

4、装配方式:

通孔插装->表面组装->直接安装

5、封装不断改进的驱动力:

尺寸变小、芯片种类增加, I/O增加

6、难点:

工艺越来越复杂、缩小体积的同时需要兼顾散热、导电性能等。




图:半导体封装技术演进路径

数据来源:Yole、华夏幸福产业研究院、炼金术资本整理


02 特点及核心竞争力


1、制造业属性强

产能完全依赖于设备采购(资本投入),和传统制造业一样也会经历产能爬坡和工艺优化的过程,伴随规模而来的是经验积累以及工艺领先的优势。

2、封测规模决定客户结构

大的设计厂商只会和有一定规模的测试厂商合作,规模上不去就很难承接大的订单,客户结构难以优化。


因此,技术和规模领先的企业将进入良性循环:技术领先→客户开拓→融资扩产→产能爬坡→工艺优化→技术领先,并将逐步拉开与竞争者的差距。

3、核心竞争力

以上两个行业特点决定了IC专业测试企业核心竞争力的所在:

(1)技术研发:重点在测试程序和测试方案开发

(2)市场化程度:IC测试与上游客户紧密结合,测试方案开发和工艺流程优化能力来自于大量客户带来的不同类型芯片测试经验。


IC测试和上游设计、晶圆加工紧密结合,需要同客户进行长时间的共同开发和磨合,结合客户反馈才能不断优化测试方案和工艺流程,与此同时长时间合作也会形成较高的壁垒。


此外,大量客户带来的不同芯片测试经验是提升测试方案开发能力和优化工艺流程的基础;

(3)资本运作能力:IC测试对资本投入的要求高,目前国内发展阶段决定了规模是发展的前提,因此与技术和市场实力相匹配的融资能力是企业发展壮大的支撑。



03 市场规模


1、整体芯片封装规模2019年市场下滑

2019年半导体行业整体放缓出现负增长,芯片封测市场也受到影响,但后期市场受5G、AI、IoT、云计算及大数据需求影响,市场组建复苏,预测2024年整体芯片封测市场可达到750亿美元。

数据来源:炼金术资本整理


随着5G、IoT、AI等新兴领域加速进程,芯片的要求尺寸尺寸越来越小, 同时芯片种类越来越多, I/O引脚数也大幅增加,对先进封装的需求逐步提升。

图:全球封装规模:先进封装和传统封装

数据来源:VLSI,CICC,华夏幸福产业研究院、炼金术资本整理


2018年中国大陆IC封测能力达到了2174.4亿块,IC封测行业市场规模达2193.9亿元,同比增长16.1%。

数据来源:炼金术资本整理


2、先进封装规模增长无惧半导体市场下滑

根据Yole数据统计,虽然2019年半导体行业整体放缓出现负增长,但先进封装市场规模将保持成长趋势,2018年先进封装市场规模为276亿美元。


以8%的年复合成长率成长,到2024年达到约440亿美元。传统封装市场将以2.4%的年复合成长率成长,而整个IC封装产业的CAGR 将达5%。

数据来源:Yole、炼金术资本整理


在先进封装业务中,倒装技术(Flip-chip)占比最高,2018年倒装封测收入约占先进封装市场81%,到2024年由于其他技术的快速发展将下降至72%。


2018-2024年,TVS、ED以及扇出则是增速最快的技术,预测2.5D/3D封装(TSV),ED和扇出型封装(Fan-out)的营收增长率分别为26%、49%、26%。


Fan-in WLP 2018-2024的CAGR相对较低,仅6.5%,转进内埋元件(Embedded die)在2018年市场规模不足2500万美元。


但未来5年CAGR高达49%,主要驱动因素来自于通讯设施、汽车电子及移动市场的需求。


数据来源:Yole、炼金术资本整理


按应用领域分,2018年,移动和消费类应用占据先进封装市场总量的84%,2019-2024年,该细分应用市场CAGR为5%, 2024年占先进封装总量的72%。


电信和基础设施领域是先进封装市场中增长最快的细分领域(约28%),其市场份额将从2018年的6%增长到2024年的15%。


与此同时,汽车和交运细分领域的市场份额预计将从2018年的9%增长到2024年的11%。

数据来源:Yole、炼金术资本整理


2018年,专业芯片封测代工厂占有61%的先进封测市场,而IDM型企业占据23%,foundry型厂商占有16%。

数据来源:Yole、炼金术资本整理


04竞争格局


1、日月光和安靠稳坐前两位

芯片封测市场集中度较为明显,前十大厂商市场份额约为80%,市场主要被中国大陆和中国台湾厂商所占据,按地区营业收入划分台湾连续多年封测市场占全球接近一半,稳居第一。


不考虑IDM(如英特尔和三星)的芯片封测收入,日月光和安靠稳居专业芯片封测前两位。

表:2019年全球封测前十强预估排名情况(不包括IDM及Foundry)

数据来源:观研天下、炼金术资本整理


2、先进芯片封测带来的机遇和威胁

半导体供应链的变化、商业模式的转变以及中美贸易关系的不确定性,为部分厂商创造了机遇,同时也对其他厂商带来了威胁。


在这个不断变化的商业环境中,半导体供应链正在各个层面发生变化。一些厂商成功地扩展了新的商业模式。


显著影响了IC制造链,而其他厂商则未能乘势而起。不同的厂商有不同的驱动因素推动它们扩展到新的业务。


例如,谷歌、微软、Facebook和阿里巴巴等软件公司正在设计自己的处理器,以便在组装层面获得系统级集成/定制和供应链控制。


最大的变化是代工厂开始拓展进入先进封装业务。尽管它们相对来说还只是“新人”,但它们的影响却很大。


台积电(TSMC)引领了扇出型封装和3D先进封装平台的创新,提供各种产品,例如InFO(及其变种)、CoWoS、WoW、3D SoIC等。


对于台积电来说,先进封装已经成为一项成熟的业务,该公司预计2019年先进封装业务将带来30亿美元的营收,这一数字可使其位列OSAT排名第四位。


联华电子(UMC)是2.5D封装硅中介层的主要供应商,最近与Xperi合作,为各种半导体器件优化并商业化ZiBond和DBI技术。


同时,武汉新芯(XMC)为图像传感器和高性能应用提供3D IC TSV封装。总体来说,这些厂商在将封装从基板转移到硅平台方面发挥了重要作用。


SiP封装产业链参与者向上下游延伸是趋势。传统SiP封装产业链上,IC封测的代表公司有长电科技、日月光,主要提供功能级的标准封测产品;


系统级封装的代表公司是环旭电子,主要做模组级别的系统封装;两者属于上下游关系,涉及到的制程和设备有所区别。


另一方面,三星电机(SEMCO)、欣兴电子(Unimicron)、AT&S和新光电气(Shinko)等IC基板和PCB制造商正利用面板级扇出封装和有机基板中的嵌入式芯片(和无源元件)进入先进封装领域,正在蚕食OSAT的市场份额(尤其是涉及先进封装的业务)。


与整体封测市场集中度相比,先进封测市场集中度较低,2017年,前8大厂商占有67%先进封装市场份额。

数据来源:Yole、炼金术资本整理


先进封装市场中各厂商擅长的领域各有所不同:

数据来源:炼金术资本整理



05 国内现状


我国的封装业虽然起步很早、发展速度也很快,但是主要以传统封装产品为主,近年来国内厂商通过并购。


快速积累先进封装技术,技术平台已经基本和海外厂商同步,BGA、TVS、WLCSP、SiP 等先进封装技术已经实现量产。


但是 整体先进封装营收占总营收比例与中国台湾和美国地区还存在一定的差距。


根据集邦咨询统计,2018年中国先进封装营收约为526亿元,占到国内封 测总营收的25%,低于全球41%的比例,未来增长空间还很大。


此外大陆封装企业在高密度集成电路封装技术上与国际领先厂商还存在较大差距,比如HPC芯片封装技术。台积电提出的SoC多芯片3D堆叠技术。


其采用了无凸起键合结构,可以更大幅度提升CPU/GPU与存储器整体运算速度;Intel也提出了类似的3D封装概念,将存储器堆叠至CPU及GPU芯片上。


中国先进封装市场产值全球占比较低,但是成长迅速,占比在不断扩大。Yole数据显示。


2017年中国先进封装产值为29亿美元,占全球11.9%,到2020年将达到46亿美元,占全球14.8%。


数据显示,中国封测企业2018年在先进封装领域加速提高产能,增长率高达16%,是全球的2倍。 


图:全球先进封装规模和中国先进封装规模(十亿美元)

数据来源:Yole、华夏幸福产业研究院、炼金术资本整理



06市场驱动力


先进封装有两大发展路径:


一是尺寸减小,使其接近芯片大小,一个重要指标是芯片面积与封装面积之比,这个比值越接近1越好,包括WLCSP、FC、Bumping、Fanout等等


二是功能性发展,即强调异构集成,在系统微型化中提供多功能,包括TSV、SIP等等。


1、SIP:物联网和存储器芯片推动封测产业进步的动力

全球半导体制造工艺已经快接近二极管的物理极限,最先进的工艺制程为7nm,由于投入巨大,从制造端解决芯片性能进一步提升变得越来越昂贵。


从芯片封装环节出发,系统级封装技术SIP通过将不同功能的芯片例如逻辑芯片,存储器memory。


被动元器件IPD,射频RF和传感器等芯片封装在一个模组可以降低芯片体积,提升芯片性能同时降低功耗。


物联网IOT(Internet of things)是推动SIP封装技术发展的重要应用场景,可穿戴设备是系统级封装技术未来极具应用潜力的领域。


Apple Watch中指纹辨识感测器,3D脸部辨识感测器,WiFi无线网路等功能模块被封装在一起,就是利用日月光的系统封装(SiP)模组技术。


成功地将集成电路,分立器件, 光学器件, 记忆体, 多层陶瓷电容器, 片形电阻器整合到轻薄短小的基板, 而其信息不会互相干扰,我们认为苹果在系统封装的应用上至少领先竞争者一到两年。


按照不同应用需求和产品的复杂性,系统级封装SiP的类型可以分为包含多个主动和被动元件的2D模组和更复杂的3D模组。


例如系统内封装PiP(Package-in-Package),系统上封装PoP(Package-on-Package)和2.5D/3D封装技术。


作为3D封装技术的代表 硅通孔技术TSV在3DNANDFLASH闪存存储器封装和DRAM内存存储器封装领域未来有较大的应用。


存储器已经成为国内半导体领域最具增长潜力的子版块,两大存储器项目长江存储(NAND FLASH)和合肥长鑫(DRAM)即将在2020年量产,届时对于国内具有先进封装技术的厂商无疑是巨大的增长机遇。


2、Fan-out:5G芯片时代封测技术大不同

步入5G时代,为了获得更高的数据量传输速率和带宽容量,必须采取更高频率的电磁波作为传输介质,而且波长更短进入毫米波级别。


5G时代主流的两个频率Sub-6G Hz频段和28GHz的毫米波频段,由于频率提高以后,波长下降带来的结果是天线更短,因此天线在5G芯片时代有望被集成到芯片中简化设计并且能够降低成本。


下一代5G芯片可能采用的封装技术有两类:有基板的芯片上天线封装 AiP(Antenna in Package)和无载板的扇出型封装Fan-out。


由于第二种扇出型封装方案不需要基板,可以在整合多芯片的基础上进一步降低成本和缩小芯片体积,所以扇出型封装技术Fan-out有望成为5G芯片封装的主流技术。


在汽车中的各个电子模块采用的封装技术不同,其中在汽车电子中的毫米波雷达芯片的封装也将会大量采用Fan-out封装技术。


国内封测厂长电科技收购星科金朋之后获得了eWLB封装技术,成为在毫米波雷达领域布局较早的封测厂商之一,华天科技在近期取得技术突破之后有望向该领域发力。


07技术发展方向


半导体封装有传统封装和先进封装两种。随着先进封装规模的不断扩大,占比有逐渐接近并超越传统封装的趋势。


对于半导体行业来说,封测不再仅是以往单独代工环节,而是与设计、材料设备相结合的一体化解决方案。


因此,先进封装对于半导体封测领域意义越来越大。根据Yole预测,全球先进封装市场将在2020年时达到整体集成电路封装服务的44%,年营业收入约为315亿美元;


中国先进封装市场规模将在2020年达46亿美元,复合年成长率为16%。从技术角度来看,FOWLP、SiP、3DTSV是最受关注的三种先进封测技术。


1、FOWLP

FOWLP是指将来自于异质制程的多颗晶粒结合到一个紧凑封装中的新方法,FOWLP封装最早由Intel提出。


相比于扇入型封装技术,FOWLP的优势在于:减小了封装厚度、扩展能力(用于增加I/O数量)、改进的电气性能、良好的热性能以及无基板工艺。


2、SiP

系统级封装(SiP)是IC封装领域的最高端的一种新型封装技术,将一个或多个IC芯片及被动元件整合在一个封装中。


SiP是理想的解决方案,综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的优势,降低成本,缩短上市时间。


同时克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难度。而且SiP的应用非常广泛,目前智能手机的产值占比最高,大约在70%左右。


5G技术商用带来的SiP封装需求增量。首先由于单机射频价值提升,射频前端整体市场规模快速增长。


而射频前端模组化,5G毫米波天线、射频集成化是大势所趋,由于射频元件大多使用GaAs为基底材料。


而5G天线多使用LCP(LiquidCrystalPolymer)为材料等,而SiP封装能很好地满足异质整合的需求。预计SiP封装在射频市场的采用率将迅速提高。


3、TSV

3D封装改善了尺寸、重量、速度、产量及耗能等芯性能,被大多半导体厂商认为是最具有潜力的封装方法。


随着先进封装的触角不断延伸至高性能、高密度化集成化的先进技术,被称作第四代3D封装技术的TSV未来有望成为先进封装未来发展的持续性动力。








中科芯(苏州)微电子科技有限公司公共测试服务平台旨在为芯片研发及测试提供全套服务,尤其是微波毫米波/射频芯片领域。目前在北京、苏州、武汉有三个平台服务实验室,对外提供测试及软硬件销售服务。另外在深圳、西安、成都、重庆、合肥等地也设有服务点。平台配备先进的6-12寸自动探针台,可满足绝大多数晶圆测试需求。

           测试平台联系方式:

    陈先生 15862434629

        邮箱:chenyang@zkicme.com



扫描二维码 关注我们

微信号 : zkicme

网址:www.zkicme.com

【免责声明】本文转载自公众号“ 炼金术资本”,不代表本平台立场,仅供读者参考,著作权属原创者所有。如涉及作品内容、版权和其他问题,请及时与本平台联系修正或删除!