先进封装也称为高密度封装,是一种集成电路封装技术,旨在提高尺寸密度、信号传输速度和能效,包括倒装焊、2.5D封装、3D封装、晶圆级封装、Chiplet等。是相对于传统封装而言的概念,先进封装是利用最先进的设计理念和集成化加工工艺,对芯片进行封装级别的重新构建,以有效提升系统功能密度。目前在摩尔定律发展放缓的背景下,先进封装通过创新封装手段实现芯片更紧密的集成,正成为未来集成电路制造的重要发展方向。
根据观研报告网发布的《中国先进封装行业现状深度研究与投资前景预测报告(2024-2031年)》显示,封装是半导体后道制程,主要起芯片保护、连接作用。半导体封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封,并加工为成品芯片的过程,是半导体产业链中的关键一环,直接影响着芯片的性能和可靠性。
近年随着集成电路工艺制程越发先进,对技术端和成本端均提出巨大挑战,封装行业实现了从传统封装到先进封装的转变。且在摩尔定律发展放缓的背景下,先进封装通过创新封装手段实现芯片更紧密的集成,正成为未来集成电路制造的重要发展方向。
相对于传统封装而言的概念,先进封装则使用先进设计思路和集成工艺,对芯片进行封装级重构,能有效提升系统高功能密度。它可在不单纯依靠芯片制程工艺突破的情况下,通过晶圆级封装和系统级封装,提升产品集成度和功能多样化,满足终端应用对芯片轻薄、低功耗、高性能的需求,同时大幅度降低芯片成本,在高端逻辑芯片、存储器、射频芯片、图像处理芯片、触控芯片等领域广泛应用。
目前随着半导体技术的持续不断的发展,先进封装作为后摩尔时代全球集成电路的重要发展的新趋势,正日益受到广泛关注,占市场价值比例持续上升。有多个方面数据显示,2023年全球先进封装市场规模约为439亿美元左右,占整体封装市场的48.8%,接近市场的一半。预计2024年全球先进封装市场占有率将增长至49%,未来有望超越传统封装市场。
受存储器下游市场应用端回温、AI与高性能计算等应用风潮推动,先进封装领域需求持续旺盛。当前全球AI行业市场规模正在爆发式增长。到2023年全球AI产业规模达7078亿美元,同比增长19.3%。作为人工智能的开端,AI芯片得到巨大发展机遇。在过去35年中,全球半导体市场规模增长近20倍,年均增速达9%。到2030年,全球半导体市场规模有望增长到1万亿美元,年均复合增长率达到8%。
因此随着AI应用的风潮推动,先进封装领域需求将持续旺盛。一方面,消费电子等终端产品对设备需求越来越小型化,对应的芯片封装尺寸要求也慢慢变得高;另一方面,5G、高性能运算、智能驾驶、AR/VR、物联网对芯片的性能提出了更高的要求,对应的芯片封装密度要求也慢慢的升高。芯片只有提供更小的尺寸和更好的能耗才能满足下游领域的需求。先进封装凭借更高的互联密度和更快的通信速度,得到愈加广泛的应用。
有相关预测分析,到2026年全球先进封装市场规模增长至482亿美元,年复合增长率6.2%。其中ED、3D-Stack、Fan-out的平均年复合增长率最大,分别达到24.8%、17.7%、12.0%。与此同时,未来部分封装技术在特定领域会有进一步的渗透和发展,如Fan-out封装在手机、汽车、网络等领域会有较大的增量空间,如3D-Stack在AI、HPC、数据中心、CIS、MEMS传感器等领域会有较大的增长空间。
此外半导体行业面临的挑战包括全球供应链重整,节能减碳与可持续发展等。其中,气候平均状态随时间的变化是二十一世纪全球面临的重大挑战,众多国家提出碳中和承诺,新能源汽车、绿色工厂、第三代半导体,为半导体产业带来发展机会。据估算,生产一个2克重的计算机芯片,需要32公斤水资源,耗电3度;生产一片12英寸晶圆的耗水量约为4到5立方米,耗电1420度。全球绿色发展的新趋势也为可持续的设计、制造、先进封装技术带来机遇。
三、FCBGA、2.5D/3D、FCCSP是当前先进封装市场重要组成部分
从市场结构来看,当前先进封装市场上主要有FCBGA、2.5D/3D、FCCSP、SIP、FO、WLCSP等类型。其中主要以FCBGA为主,在全球市场占比达34%;其次为2.5D/3D封装和FCCSP封装,在全球市场占比同约为20%,同为重要组成部分。
先进封装技术的不停地改进革新是推动行业发展的重要动力。各企业纷纷加大研发投入,致力于提升技术水平和产品性能,以在竞争中占据有利地位。近两年台积电、英特尔、三星等国际巨头相继押注先进封装赛道。
台积电是全球先进封装技术的领军者之一,旗下3DFabric拥有CoWoS、InFO、SoIC三种先进封装工艺。其中CoWoS是台积电最经典的先进封装技术之一。2011年至今,台积电的CoWoS工艺已经迭代至第五代,期间中介层面积、晶体管数量、内存容量逐步扩大。Nvidia、AMD、Broadcom、Marvell等是台积电CoWoS工艺的最大客户。
此外据报道,台积电计划2025年在全世界内新建10家工厂,将专注于2nm制程工艺和晶圆上芯片封装(CoWoS)技术。其中先进封装工厂有3座,包括将收购的群创AP8液晶面板工厂改造成封装工厂和在嘉义科学园区新建封装工厂。
先进封装市场的热潮也吸引了芯片龙头的加码布局。2024年10月28日,英特尔宣布将扩容位于成都高新区的封装测试基地。据了解,近几年英特尔积极布局2.5D/3D先进封装赛道,并已经推出EMIB、Foveros、Co-EMIB等多种先进封装技术,力求通过2.5D/3D等多种异构集成的形式实现互联带宽倍增和功耗减半的目标。2018年,英特尔首次展示Foveros先进封装技术,引入3D堆叠,在逻辑芯片上堆叠逻辑芯片,实现横向和纵向的互联,且凸点间距逐步降低为25~50μm。英特尔表示Foveros可以将不同工艺、结构、用途的芯片整合到一起,从而将更多的计算电路组装到单颗芯片上,以实现高性能、高密度和低功耗。该技术提供了极大的灵活性,设计人能再新的产品形态中“混搭”不同的技术专利模块、各种存储芯片、I/O配置,并使得产品能够分解成更小的“芯片组合”。
此外三星也布局在2.5D/3D先进封装技术领域,并已经推出I-Cube、X-Cube等先进封装技术。针对2.5D封装,三星推出的I-Cube技术能和台积电的CoWoS技术相媲美。针对3D封装,三星在2020年推出X-Cube技术,将硅晶圆或芯片物理堆叠,并通过硅通孔(TSV)连接,最大限度上缩短了互联长度,在降低功耗的同时提高传输速率。
除了台积电、英特尔、三星等国际巨头外,日月光控股、台积电、英特尔、三星、通富微电、华天科技、甬矽电子、晶方科技等半导体有突出贡献的公司也先后宣布投入资源,布局先进封装有关技术与扩充产能。
例如长电科技推出的 XDFOI® Chiplet 高密度多维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段,该技术涵盖 2D、2.5D、3D 集成技术。甬矽电子通过实施 Bumping 项目掌握了 RDL 及凸点加工能力,并积极布局扇出式封装(Fan-out)及 2.5D/3D 封装工艺。
整体来看,当前全球厂商中海外前道厂商占据领头羊,封测厂商积极跟随。国内企业均有布局跟进。先进封装技术已成为“后摩尔时代”的重要路径。
五、目前我国先进封装市场规模较小,渗透率明显低于全球,未来有较大发展空间
同全球走势基本相同,近年我国先进封装市场规模一直增长,渗透率不断的提高。多个方面数据显示,2023年,我国先进封装渗透率达到39%。预计2024年我国先进封装渗透率将增长至40%。
但与国际领先水平相比,我国在先进封装领域仍相对落后,市场规模仍较小,渗透率明显低于全球,未来有较大发展空间。有多个方面数据显示,2020年中国先进封装市场规模约为351.3亿元,占整体封装市场规模的比例约14%,相较于全球先进封装占封装44.9%的比例低出不少。就算是到2023年,我国先进封装渗透率也仅约39%,明显低于全球(48.8%)。但预计随长电科技、华天科技、甬矽电子等厂商的2.5D、3D等先进封装技术持续取得突破,国内厂商有望在全球半导体市场的竞争中将扮演逐渐重要的角色。
当前我国先进封装市场企业主要有长电科技、通富微电、华天科技、,晶方科技、甬矽电子、颀中科技、汇成股份等。其中长电科技、通富微电、华天科技在先进封装领域相对领先。
我国先进封装市场集中度较高,行业CR3达到77.4%。具体来看,长电科技、通富微电和华天科技为我国先进封装三大有突出贡献的公司。从业务收入来看,2023年,长电科技市场占有率占比最大,达36.9%;其次为通富微电、华天科技,市场占有率分别为26.4%、14.1%。