全球半導(dǎo)體先進(jìn)制程速度放緩背景下，芯片性能提升難度加劇，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨“存儲(chǔ)墻”和“功能墻”等問題。
傳統(tǒng)的芯片封裝方式已無法滿足大的數(shù)據(jù)處理需求，先進(jìn)封裝是解決芯片封裝小型化、高密度等問題的關(guān)鍵途徑，正在成為重要發(fā)展趨勢(shì)。
當(dāng)前AI算力持續(xù)緊缺，數(shù)據(jù)中心和服務(wù)需求強(qiáng)勁，行業(yè)內(nèi)各大廠商已將目光投向先進(jìn)封裝技術(shù)。
01
半導(dǎo)體芯片封裝行業(yè)概覽
芯片封裝是芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是用特定材料和工藝技術(shù)對(duì)芯片進(jìn)行安放、固定和保護(hù)芯片性能，并將芯片上的接點(diǎn)連接到封裝外殼上，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部功能的外部延伸。
封裝技術(shù)演進(jìn)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)更高密度的集成、減小面積浪費(fèi)以及提高元器件反應(yīng)速度。
傳統(tǒng)封裝是先將晶圓切割成單個(gè)芯片再進(jìn)行封裝的工藝，利用引線框架作為載體，采用引線鍵合互連的形式進(jìn)行封裝，其主要功能是為芯片提供機(jī)械保護(hù)，以及確保機(jī)械和電氣連接的穩(wěn)定性等。
先進(jìn)封裝主要是采用鍵合互連并利用封裝基板來實(shí)現(xiàn)的封裝技術(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路和先進(jìn)的集成工藝，對(duì)芯片進(jìn)行封裝級(jí)重構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)芯片更緊密集成。
先進(jìn)封裝提升集成密度：
資料來源：Yole 《Advanced packaging market and technology trend 》
先進(jìn)封裝技術(shù)在不單純依靠芯片制程工藝實(shí)現(xiàn)突破的情況下，通過晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝，提高產(chǎn)品集成度和功能多樣化，滿足終端應(yīng)用對(duì)芯片輕薄和高性能的需求，同時(shí)大幅降低芯片成本。
先進(jìn)封裝主要包括倒裝芯片（FlipChip，F(xiàn)C）封裝、晶圓級(jí)封裝（Wafer LevelPackage，WLP）、2.5D 封裝、3D 封裝等。
當(dāng)前先進(jìn)封裝向系統(tǒng)集成、高速、高頻、三維方向發(fā)展，2.5/3D封裝增速領(lǐng)先。
2.5D/3D封裝尺寸和重量明顯減小，由多芯片集成，封裝性能和帶寬顯著提升，有助于降低整體成本。
資料來源：SemiWiki
2.5D封裝將處理器、存儲(chǔ)等若干芯片并列排布在中介層上，利用RDL、硅橋、硅通孔（TSV）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高密度的互聯(lián)。
臺(tái)積電 CoWoS系列即采用 2.5D 封裝，為FPGA、GPU 等高性能產(chǎn)品集成提供解決方案。
目前最有代表性且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的先進(jìn)封裝是采用臺(tái)積電CoWoS封裝形式的英偉達(dá)GPU芯片。
3D封裝是多個(gè)芯片垂直堆疊，利用TSV貫穿整個(gè)芯片進(jìn)行電氣連接，并直接與基板相連。
該技術(shù)最早在CMOS圖像傳感器中應(yīng)用，目前可用于DDR、HBM 等存儲(chǔ)芯片封裝中，技術(shù)難度最高。
先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)因封裝形式的不同而有所差異。
一般來說，判斷各家封裝廠3D封裝技術(shù)能力的好壞，TSV Diameter、I/O Pitch、RDL-LS的精度等是重要的標(biāo)準(zhǔn)。
2.5D和3D封裝圖示：
資料來源：SemiWiki
03
先進(jìn)封裝技術(shù)路徑
先進(jìn)封裝主要由兩條應(yīng)用驅(qū)動(dòng)技術(shù)路徑。
一方面是通過提升互聯(lián)密度；另一方面封裝系統(tǒng)從少量大芯片改用為數(shù)量多但尺寸更小的 Chiplet（芯粒）作為基本單位。
Chiplet技術(shù)能夠有效提升良率并降低成本，增加先進(jìn)封裝技術(shù)用量。其誕生于多芯組裝技術(shù)，是一種將復(fù)雜芯片拆分成多個(gè)小型、獨(dú)立且可復(fù)用的模塊的設(shè)計(jì)方法。
Chiplet包含F(xiàn)C-BGA/2.5D/3D封裝技術(shù)，將不同工藝不同材料的芯片集成在一起，提供更靈活的設(shè)計(jì)選擇。
早在2022年，英特爾、AMD、ARM、高通、三星、臺(tái)積電、日月光、Google Cloud、Meta和微軟等公司聯(lián)合推出“UniversalChipletInterconnect Express”（通用芯粒互連，簡(jiǎn)稱“UCIe”），作為Die-to-Die互連標(biāo)準(zhǔn)，主要 目的是統(tǒng)一Chiplet之間的互連接口標(biāo)準(zhǔn)，打造一個(gè)開放性的Chiplet生態(tài)系統(tǒng)。
半導(dǎo)體企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式分為IDM（垂直整合制造）和垂直分工兩種主要模式。
IDM模式企業(yè)內(nèi)部完成芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)全環(huán)節(jié)，具備產(chǎn)業(yè)鏈整合優(yōu)勢(shì)。
垂直分工模式芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)分別由芯片設(shè)計(jì)企業(yè)（Fabless）、晶圓代工廠（Foundry）、封測(cè)廠（OSAT）完成，形成產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效應(yīng)。
半導(dǎo)體企業(yè)的主要經(jīng)營(yíng)模式：
在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，晶圓廠和封測(cè)廠均積極布局，相互之間既有競(jìng)爭(zhēng)也有合作。
晶圓廠依靠前道工藝優(yōu)勢(shì)入局先進(jìn)封裝，其中，臺(tái)積電、英特爾 和三星等晶圓廠優(yōu)勢(shì)突出。
2.5D：CoWoS（臺(tái)積電）、EMIB（英特爾）、I-Cube（三星）等；
3D：SoIC（臺(tái)積電）、Foveros（英特爾）、X-Cube（三星）等。
臺(tái)積電是先進(jìn)封裝技術(shù)的引領(lǐng)者之一，早在2008年便成立集成互連與封裝技術(shù)整合部門入局先進(jìn)封裝，目前已形成CoWoS、InFO、SoIC技術(shù)陣列。
近年來，臺(tái)積電每年資本開支中約10%投入先進(jìn)封裝、測(cè)試、光罩等。
CoWoS是臺(tái)積電推出的一種2.5D封裝技術(shù)，其中“CoW”指芯片堆疊; “WoS”則是將芯片堆疊在基板上。
根據(jù)應(yīng)用的不同，臺(tái)積電將CoWoS封裝技術(shù)細(xì)分為三種類型：CoWoS-S、CoWoS-R以及CoWoS-L。
英偉達(dá)H100、A100、B100、B200、B300都采用了臺(tái)積電CoWoS封裝技術(shù)。
臺(tái)積電先進(jìn)封裝技術(shù)：
資料來源：臺(tái)積電官網(wǎng)
英特爾推出了EMIB、Foveros和Co-EMIB等先進(jìn)封裝技術(shù)，通過2.5D、3D和埋入式3種異質(zhì)集成形式實(shí)現(xiàn)互連帶寬倍增與功耗減半的目標(biāo)；英特爾希望到2030年實(shí)現(xiàn)單個(gè)封裝中集成1萬億個(gè)晶體管的目標(biāo)。
三星電子提供2.5D封裝I-Cube、3D封裝X-Cube等，2024年7月AVP業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)重組為AVP開發(fā)團(tuán)隊(duì)，以加強(qiáng)2.5D、3D等先進(jìn)封裝技術(shù)。
基于封裝技術(shù)的參與者畫像（半導(dǎo)體封測(cè)頭部大廠在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的技術(shù)節(jié)點(diǎn)）：
資料來源：Yole
相比傳統(tǒng)封裝，先進(jìn)封裝不僅需求增速更高，在產(chǎn)業(yè)鏈中的價(jià)值占比也更高。
傳統(tǒng)OSAT（委外半導(dǎo)體封測(cè)）也大力發(fā)展先進(jìn)封裝以獲取價(jià)值增量。
國內(nèi)封測(cè)企業(yè)按照技術(shù)儲(chǔ)備、產(chǎn)品線情況、先進(jìn)封裝收入占比等指標(biāo)，一般可以分為三個(gè)梯隊(duì)：
第一梯隊(duì)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)第三階段焊球陣列封裝（BGA）、柵格陣列封裝（LGA）、芯片級(jí)封裝（CSP）穩(wěn)定量產(chǎn)，且具備全部或部分第四階段封裝技術(shù)量產(chǎn)能力（如SiP、Bumping、FC），同時(shí)已在第五階段晶圓級(jí)封裝領(lǐng)域進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備或產(chǎn)業(yè)布局（如TSV、Fan-Out/In）。
中國大陸?yīng)毩⒎鉁y(cè)第一梯隊(duì)代表企業(yè)有長(zhǎng)電科技、通富微電、華天科技等，三家廠商在2023年全球前十大OSAT（封測(cè)企業(yè)）排名中，分別占據(jù)了第三、第四、第六的位置。
此外，國內(nèi)一些新興的封測(cè)廠近年來也在先進(jìn)封裝領(lǐng)域加碼布局。例如，甬矽電子已形成“Bumping+CP+FC+FT”一站式交付能力，同時(shí)在2.5D封裝方面取得了顯著進(jìn)展。
相對(duì)于半導(dǎo)體制造的其他環(huán)節(jié)，封測(cè)的進(jìn)入壁壘相對(duì)較低，也為中國企業(yè)提供了更多的機(jī)會(huì)。
資料來源：芯思想
05
先進(jìn)封裝設(shè)備
在先進(jìn)封裝技術(shù)中，核心設(shè)備對(duì)于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)封裝技術(shù)的高性能和小型化至關(guān)重要，當(dāng)前仍面臨緊迫的國產(chǎn)化替代任務(wù)。
COW倒裝固晶、CMP、電鍍、臨時(shí)鍵合與解鍵合、量檢測(cè)以及光刻是核心的環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)線上所需的設(shè)備價(jià)值量總計(jì)達(dá)到47.9%。
先進(jìn)封裝各環(huán)節(jié)價(jià)值量拆分：
數(shù)據(jù)來源：各公司公告、開源證券、行行查
區(qū)分傳統(tǒng)封裝及先進(jìn)封裝的關(guān)鍵在于加工工序是否涉及光刻環(huán)節(jié)。
先進(jìn)封裝光刻機(jī)主要技術(shù)路徑有投影式光刻及直寫光刻，通常使用步進(jìn)式光刻機(jī)。
國內(nèi)廠商中的上海微電子等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)封裝掩模光刻設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化并占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額。
先進(jìn)封裝對(duì)光刻、刻蝕等晶圓級(jí)設(shè)備精度等性能的要求低于前道工藝。國產(chǎn)前道設(shè)備廠商向先進(jìn)封裝領(lǐng)域布局屬于技術(shù)降維，如華海清科（CMP設(shè)備）、盛美上海（電鍍）、芯源微（涂膠顯影、臨時(shí)鍵合與解鍵合）、中微公司（TSV深硅刻蝕）、拓荊科技（混合鍵合設(shè)備）等是該領(lǐng)域主要布局廠商，未來在國內(nèi)先進(jìn)封裝產(chǎn)線有望占據(jù)較高份額。
前道制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)向2納米前進(jìn)，但封裝段互聯(lián)間距仍處于微米級(jí):
資料來源：Yole
互連工藝升級(jí)是先進(jìn)封裝的關(guān)鍵，工藝的升級(jí)往往伴隨著材料端的升級(jí)與需求的提升。
PSPI是先進(jìn)封裝核心耗材之一，主要應(yīng)用于再布線（RDL）工藝，為封裝提供必要的電氣、機(jī)械和熱性能，還能實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖案化，大幅減少光刻工藝流程。目前，全球PSPI市場(chǎng)被外企高度壟斷，國產(chǎn)替代需求迫切，國內(nèi)企業(yè)如鼎龍股份正積極突破。
深孔刻蝕類電子特氣以含氟特氣如SF6、C4F8等為主，主要應(yīng)用于TSV工藝。國內(nèi)企業(yè)正加速刻蝕氣體國產(chǎn)替代，如華特氣體、中船特氣、金宏氣體等在刻蝕氣體領(lǐng)域均取得了技術(shù)突破，并開始逐步替代進(jìn)口產(chǎn)品。
電鍍工藝廣泛應(yīng)用于先進(jìn)封裝，電鍍液是核心原材料，TSV、RDL、Bumping、混合鍵合都需要進(jìn)行金屬化薄膜沉積，這將顯著拉動(dòng)電鍍液需求。目前，全球電鍍液供應(yīng)以外企為主，中國電鍍液正經(jīng)歷由依賴進(jìn)口向國產(chǎn)化轉(zhuǎn)變的重要階段，上海新陽、艾森股份進(jìn)展國內(nèi)領(lǐng)先。
靶材為薄膜制備技術(shù)中的關(guān)鍵原材料，主要作用為制作導(dǎo)電層，通常配合電鍍液使用。在先進(jìn)封裝工藝中，靶材在RDL、TSV、Bumping、混合鍵合工藝中均有使用。國內(nèi)靶材企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，其中江豐電子為代表性企業(yè)。
CMP材料在先進(jìn)封裝中的作用主要為拋光和減薄，因此其在TSV工藝中應(yīng)用較多。目前CMP材料已經(jīng)具備國產(chǎn)替代條件，其中拋光墊代表企業(yè)為鼎龍股份、拋光液代表企業(yè)為安集科技。
臨時(shí)鍵合膠的作用為在晶圓減薄過程中提供機(jī)械支撐，目前全球臨時(shí)鍵合膠市場(chǎng)由外資高度壟斷，鼎龍股份等廠商有望率先實(shí)現(xiàn)突破。
環(huán)氧塑封料核心作用是為芯片提供防護(hù)支撐等，先封封裝尤其是2.5D/3D封裝，對(duì)環(huán)氧塑封料的流動(dòng)性、均勻性和散熱性提出了更高的要求。目前先進(jìn)封裝用高端環(huán)氧塑封料和硅/鋁微粉被日韓企業(yè)所壟斷，國內(nèi)企業(yè)如華海誠科、聯(lián)瑞新材、壹石通等正加速突破。
半導(dǎo)體先進(jìn)封裝上下游各環(huán)節(jié)布局廠商眾多，近年來各類廠商加速參與到產(chǎn)業(yè)鏈布局。例如，晶方科技（晶圓級(jí)硅通孔TSV封裝技術(shù)）、德邦科技（晶圓固定/導(dǎo)電等方案）、景嘉微（有先進(jìn)封裝測(cè)試生產(chǎn)線）、江化微（二氧化硅蝕刻液）、邁為股份（封裝工藝整體解決方案）等。
當(dāng)前AI浪潮持續(xù)爆發(fā)，數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、芯片以及端側(cè)AI和人形機(jī)器人加速迎來國產(chǎn)替代廣闊機(jī)遇。（來源樂晴智庫精選）
