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中邦半导体封测物业将迎来春天

日期:2019-10-09 09:07 来源:

  

中邦半导体封测物业将迎来春天

中邦半导体封测物业将迎来春天

  常规的芯片封装流程是先将整片晶圆切割为小晶粒再进行封装测试,而晶圆级封装技术(WLP)是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片的技术,封装后的芯片尺寸与裸片完全一致。晶圆级封装具备两大优势: Discover mmWave 走进 TI 毫米波雷达世界 快速获得设计技能 和前三种技术不同,SiP实现了半导体产品级的封装突破。SiP即系统级封装是对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,叠加的芯片可以是多个具有不同功能的有源电子元件与无源器件,也可以是MEMS或者光学器件,封装在一起之后成为可以实现一定功能的标准封装件,或者是形成一个系统。 (1)将芯片I/O分布在IC芯片的整个表面,使得芯片尺寸达到微型化极限。 目前,智能手机是SiP封装最大的市场,随着智能手机越做越轻薄,对于SiP的需求继续提高。以iPhone6s为例,已大幅缩减PCB的使用量,很多芯片元件都会做到SiP模块里,而到了iPhoneX,SiP封装使用达到前所未有的水平,包含18个滤波器在内的近30颗芯片(RF以及触控等芯片)。此外,Apple Watch从第一款到最新款一直采用SiP封装。 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。长电科技在收购星科金鹏之后,其先进封装产品出货量全球占比7.8%(2017年),排名第三,仅次于英特尔和矽品。 半导体产业发展初期通常采用IDM生产模式。这种模式下厂商需投入大额资金建生产线,具有重资产、高风险等弊端。随着智能手机等需求的爆发,下游终端需求变化加速,IDM模式效益逐渐下降。轻资产的设计公司的不断增长,IDM企业内部产能不足而溢出的订单驱动,推动OSAT企业快速发展。Gartner数据显示,2013年以后OSAT模式的产业规模就超过了IDM模式。OSAT+Foundry的模式避免了大额建设资金投入,同时能够满足市场对微型化、更强功能性、高度定制化的需求,将会是半导体行业未来发展的主要模式。 (1)热学性能优越,提高了散热能力:芯片背面可以有效进行冷却,最短回路带来的低热阻的散热盘。 第三阶段(1990-2000):球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、倒装芯片(FC)等先进封装技术开始兴起。 Bump是FC与PCB电连接的唯一通道,也是FC技术中关键环节。Bump分为焊料与非焊料两大类,按制作方法分为焊料凸点、金凸点、聚合物凸点。凸点工艺直接影响到倒装技术的可行性和性能的可靠性。焊锡球(Solderball)是最常见的凸点材料,但是根据不同的需求,金、银、铜、钴也作为选择。对于高密度的互联及细间距的应用,铜柱(CuPillar)是一种新型的选择。连接时,焊锡球会扩散变形,而铜柱会很好的保持其原始形态,因此铜柱可用于更密集的封装,铜柱技术目前发展最为迅速。 随着集成电路信号I/O数目的增加,焊球的尺寸减小,PCB对集成电路封装后尺寸以及信号输出接脚位置的调整需求得不到满足,因此衍生出了POWLP。 长电科技、华天科技、通富微电三家公司均通过收购除了扩大产能提高市占率以外,更重要的是提升了先进封测能力。从毛利率和净利率来看,这三家企业都处于较低水平,在营业成本控制以及经营管理费用上有待继续提高。从R&D来看,中国企业虽然比率较高,但是总量较少,三家公司总的研发开支不及日月光一家公司的研发开支,在先进封装技术的积累上,国内企业需要继续突破。 2017年,中国OSAT前三甲企业(长电科技、华天科技、通富微电)实现收入373亿人民币,同比增长27.7%,占中国封测行业总产值19.7%。国内封装企业收入增速明显快于全球水平,得益于传统封装产能扩张及部分先进封装产能投入使用,具有良好的发展潜力。 (2)直接在晶圆片上对众多芯片封装、老化、测试,从而减少常规工艺流程,提高封装效率。 2010年以前,中国封测企业不足70家,其中本土企业不足20家。2017年,中国封测企业超过100家,主要位于长三角(55%)、珠三角、环渤海和西部四个地区。其中,涉足先进封装业务的企业有十多家,其中约一半是本土企业。全球顶尖的IDM和晶圆厂几乎均在中国大陆设厂,2017-2020年超过20个,数量远超其他国家和地区,新建晶圆厂有望与国内优秀封测企业合作,这为中国半导体封测行业的发展吹来第一股春风。 Bump最常用的制作技术为电镀凸点技术,而创新型Bump技术包括晶圆级焊球转移技术以及喷射凸点技术。其中,喷射凸点技术制作焊料凸点具有极高的效率,喷射速度可高达44000滴/秒,有望成为一种工业标准。 半导体封装是指将晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程封装后的芯片具备电力传送、信号传送、散热以及保护四大功能。半导体测试是为了确保交付芯片的完好,可分为两阶段:一是进入封装之前的晶圆测试,主要测试电性;二是封装后的IC成品测试,主要测试IC功能、电性与散热是否正常。Gartner统计显示,封装和测试环节分别占80%-85%和15%-20%的市场份额。 今年以来,国内资本海外并购态势趋缓,中国封测行业重心应转向先进封测技术开发,加大研发投入并积极通过客户认证向市场展示自身技术实力以维持竞争力。此外,中国OSAT企业需要积极转变研发模式。目前中国企业研发投入主要是内部的技术研发,与客户共同开发的能力较弱。未来,中国OSAT企业应积极与上游客户共同开发,形成量产初期较高的利润和较好的议价能力,这样也有利于保持持续的利润优势。 半导体封测主要流程包括贴膜、打磨、去膜再贴膜、切割、晶圆测试、芯片粘贴、烘焙、键合、检测、压膜、电镀、引脚切割、成型、家里宽带是50M电信光纤猫正在入户门口的成品测试等。封装的核心在于如何将芯片I/O接口电极连接到整个系统PCB板上,键合是关键环节即用导线将芯片上的焊接点连接到封装外壳的焊接点上,外壳上的焊接点与PCB内导线相连,继而与其他零件建立电气连接。 根据Yole数据,2017年先进封装产值超过200亿美元,产业全球占比38%左右,到2020年,预计产值将超过300亿美元,占比44%。其中,FC技术在先进封装市场中占比最大,2017年FC市场规模达186亿美元,全球占比34%,占先进封测总值90%。2017到2022年,预计全球先进封装2.5D&3D、FO、FC等技术的市场年复合增长率分别为28%、36%和10%,远高于4.5%的封测市场平均增长。 POWLP:Fan-Out技术是指通过再分布层(RDL)将I/O凸块扩展至芯片周边,在满足I/O数增大的前提下又不至于使焊球间距过小而影响PCB工艺,此外采用RDL层布线代替了传统IC封装所需的IC载板,这大幅降低整体封装厚度,满足智能手机对厚度的需求。 2017年,中国大陆半导体产业中设计、制造和封测环节的全球市占率分别为9%、7%和22%,封测行业比较优势明显。中国台湾地区知名IC设计企业联发科、联咏、瑞昱等已经将封测订单逐步转向大陆同业公司。 在芯片设计(Fabless)、晶圆制造(Foundry)、封装测试(OSAT)等三个环节构成的半导体产业链,封装测试位于下游。 在OSAT超越IDM的过程中,部分IDM公司已转型为Fabless设计公司,如AMD公司2012年剥离了晶圆制造业务(后组建GlobalFoundry),2016年剥离了部分封测业务(出售85%股权给通富微电),完成了向Fabless设计公司的转型。 SiP封装应用广泛,包括无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等。SiP在无线通信领域的应用最早,也是应用最为广泛的领域。 TSV简称硅通孔技术,是3D IC中堆叠芯片实现互联的一种新的技术解决方案:硅晶圆上以蚀刻或激光方式钻孔(制程又可分为先钻孔,中钻孔,后钻孔三种),再以导电材料如铜、多晶硅、钨等物质填满。 第二阶段(1970-1990):等表面贴装技术衍生出的SOP、SOJ、PLCC、QFP四大封装技术以及PGA技术。 FC技术是将芯片通过Bump与基板相连,因为将芯片翻转过来使凸块与基板直接连结而得其名,将芯片有源区面对着基板,通过芯片上呈阵列排列的焊料凸块实现芯片与基板的互联,无需引线键合。 PIWLP:由于引脚全部位于芯片下方,I/O数受到限制,称为晶圆级芯片尺寸封装WLCSP或扇入型晶圆级封装FILWLP。特征是封装尺寸与晶粒同大小,目前多用于低引脚数消费类芯片。 2017年全球前十大OSAT企业实现收入约281亿美元,同比增长15.3%,超过全球封测行业收入的50%,占OSAT企业总收入的90%以上。全球OSAT前十大厂商中国台湾占据5家、中国大陆3家、美国1家以及新加坡1家。寡头垄断明显,前三名市占率超过60%。近年全球半导体行业并购不断,主要是由于行业进入成熟期,竞争越发激烈,厂商通过并购扩大规模或者为未来做战略布局,大者恒大的趋势越发明显,封测行业也不例外。 第四阶段(2000-至今):从二维封装向三维封装发展,从技术实现方法上发展出晶圆级封装(WLP)、硅通孔(TSV)、3D堆叠等先进封装技术,从半导体产品级来看涌现出系统封装(SiP)等新的封装方式,封装技术的发展进一步提升芯片的集成度与性能。 刚刚!长鑫存储宣布量产,总投资1500亿,10纳米级,中国自主DRAM迈出关键一步 TSV技术最早在CMOS与MEMS中被应用,在FPGA、存储器、传感器等领域正在进行推广,未来在光电以及逻辑器件中也将被应用。3D存储芯片封装以及手机端将是TSV技术应用最广泛的地方。根据Yole预测,2016~2021年,应用TSV技术的晶圆数量将以10%的年复合增长率增长。 根据VLSI数据,2017年先进封装出货量约为35%,VLSI预测下游客户群向先进封装转移的速度暂时会放缓,传统封装依然占据主导。对于大部分产能来自传统封装的中国企业而言,这将有利于国内封测企业进一步提高市占率。 截止2017年底,国家集成电路产业基金一期累计投资测封行业近100亿元,投资本土前三甲企业占累计投资的70%,长电科技、华天科技、通富微电都属于大基金一期投资的重大战略项目企业。据了解,大基金二期投资布局将从“面覆盖”转向“点突破”,这将进一步利好头部企业集中力量突破高端技术。除了产业投资以外,2017年9月,企业研发费用税前加计扣除比例的提高,对于研发比例占比较大的半导体产业而言,也是鼓励发展的春风。 从技术更新角度,半导体制造业按照摩尔定律继续发展,不断投资新生产线,实现产能扩张和技术更新。从下图可以看到遵循摩尔定律,晶圆制造已经历了近20轮技术更新,而同期封装技术整体只经历了几代技术的变革。中国封测龙头企业在最近一代技术变革中,通过并购快速实现了与国际顶尖企业的同步发展。相比于落后两代的晶圆制造产业,测封无疑是最具国际竞争力的产业环节。龙头企业长电科技与华天科技都拥有世界最前沿的先进封装技术。近年来,中国封测产业专利申请数量呈现爆发式增长。这些,无疑都是中国封测行业发展春风的源头。 TSV实现了贯穿整个芯片厚度的垂直电气连接,更开辟了芯片上下表面之间的最短通路。TSV封装具有电气互连性更好、带宽更宽、互连密度更高、功耗更低、尺寸更小、质量更轻等优点。 测封行业是中国半导体赶超全球的发力点。中国半导体行业协会(CSIA)统计,2017年中国集成电路产业总销售额5411亿元,其中封测行业1889.7亿元,占比35%,同比增长20.8%,远超同期4.5%的国际增长速度。预计2018年将达2251亿元,同比增长19.1%。 根据Yole数据,采用FC技术的集成电路出货量将保持稳定增长,预计晶圆产能将以9.8%的复合年增长率扩张,到2020年12寸晶圆达到2800万片。FC技术终端应用主要为计算类芯片,如台式机和笔记本电脑的CPU、GPU和芯片组应用等。 FIWLP与FOWLP用途不同,均为今后的主流封装手段。FIWLP主要是用于模拟和混合信号芯片中,无线互联、CMOS图像传感器中部分也采用FIWLP技术封装。FOWLP将主要用于移动设备的处理器芯片中。此外,高密度FOWLP在其他处理芯片中也有很大市场,如AI、机器学习、物联网等领域。 半导体芯片高集成度、高引脚密度、小尺寸、低成本的需求推动半导体封装技术发展。半导体封装技术的发展可分为四个阶段。 封装测试是半导体产业的重要环节。与全球市场稳步增长相比,中国半导体封测市场以20%的年复合增长率遥遥领先,其中专业代工占国内一半以上市场份额。2017-2020年中国大陆新建晶圆厂将超过20个,连同邻近的封测厂,成为全球半导体产业新增产能的核心区域。中国半导体封测产业将走向美好的春天。 作为测封行业最为关键的技术,键合连接方式分为4种,包括引线键合、焊锡球连接、焊球倒装连接和TSV硅通孔连接。长久以来,引线键合占据主导地位。从技术来看,倒装芯片(FC)技术正在逐步取代引线键合。从行业来看,封测行业正在经历从传统封装(SOT、QFN、BGA等)向先进封装(FC、FIWLP、FOWLP、TSV等)的转型。先进封装技术效率高,芯片向着更小、更薄方向演进,均摊成本更低,可实现更好的性价比,缺点是前期投入较大,需要规模效应来降低成本。 根据Gartner数据,2017年全球半导体行业收入4204亿美元,封测行业收入533亿美元,占比13%。Yole数据显示,除2014年行业激增导致2015年数据略降外,全球封测行业一直保持个位数稳步增长,预计2018年将继续保持4.5%同比增长。 摩尔定律逐步放缓,半导体行业目前步入后摩尔时代。ITRS指出SoC与SiP都可以让集成电路达到更高性能、更低成本的方式。SoC系统级芯片,是芯片内不同功能的电路高度集成的芯片级产品。SiP既保持了芯核资源和半导体生产工艺的优势,又可以有效突破SoC在整合芯片过程中的限制,克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等困难,大幅降低设计端和制造端成本,同时具备定制化的灵活性。 打造健康生活,成就强劲工具 TE Connectivity (TE) 智慧生活子系统解决方案 IDM与OSAT商业模式竞争:IDM(Integrated Device Manufacture,整合一体化制造服务)与OSAT(OSAT:Outsourced Assembly& Test,外包封装测试)是目前半导体封测产业的两种主要模式。IDM企业拥有自有品牌,业务范围贯穿设计、制造到封测环节,甚至包含销售。OSAT企业则没有自己的品牌,为设计、制造客户提供封装测试代工服务。 有奖活动|Mentor PCB 手册:《利用自动验证消除原理图设计错误》

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