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過去數(shù)十年來，摩爾定律猶如法則一般引領了半導體行業(yè)的發(fā)展，半導體制程持續(xù)升級，然而，當先進制程技術已走到5nm、3nm，甚至IBM已經(jīng)發(fā)布了全球首個2nm的芯片制造技術，晶體管大小正不斷逼近原子的物理體積極限。

當制程物理體積到達極限之后，無法再繼續(xù)進步，那就意味著靠制程推動的摩爾定律時代的終結，但與此同時，5G、自動駕駛、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等應用正快速興起，對芯片的性能要求更高，半導體行業(yè)下一個十年方向在哪里？

2021年6月，AMD宣布攜手臺積電，開發(fā)出了3D Chiplet技術，并且將于2021年年底量產相應芯片。AMD總裁兼CEO蘇姿豐表示，該封裝技術具有突破性，采用先進的hybrid bond技術，將AMD的Chiplet架構與3D堆棧結合，提供比2D Chiplet高出超過200倍的互連密度，以及比現(xiàn)有3D封裝解決方案高出15倍的密度。

作為Fabless和Foundry兩大領域最杰出的代表之一，這兩家企業(yè)對未來半導體行業(yè)的發(fā)展方向做出的判斷以及業(yè)內的普遍共識便是：先進封裝技術的發(fā)展。

一、全球芯片需求巨大，2025年總需求量預計超過4,000億片

伴隨5G建設加速、汽車電動智能化、高性能計算機群互聯(lián)規(guī)模的不斷擴大、物聯(lián)網(wǎng)在各領域的廣泛應用，半導體整體需求陡增。由于新冠疫情，居家防疫和在家工作的情形增加，促使消費電子產品的銷量增加，促進了電路制造服務領域的強勁成長。2020年全球對于芯片的需求較既有產能高出了10%-30%。疫情對于芯片制造行業(yè)造成的沖擊，如GPU的短缺，將會持續(xù)到2022年。據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年全球芯片(IC)總需求量約為2,910億片，到2025年總需求量預計將達到4,190億片。

全球芯片市場按照下游應用場景基本可以分為消費電子芯片、汽車芯片、HPC（高性能計算）/數(shù)據(jù)中心芯片、5G芯片以及物聯(lián)網(wǎng)芯片。

資料來源：CIC灼識咨詢

二、摩爾定律失效，先進封裝繼續(xù)壓縮芯片體積

半導體產業(yè)鏈可分為核心產業(yè)鏈與支撐產業(yè)鏈。核心產業(yè)鏈完成半導體產品的設計、制造和封裝測試，支撐產業(yè)鏈提供設計環(huán)節(jié)所需的軟件、IP以及制造封測環(huán)節(jié)所需的材料、設備。

半導體核心產業(yè)鏈主要有設計、制造和封測三個環(huán)節(jié)，形式有IDM和垂直分工兩種。

芯片設計

芯片設計是芯片的研發(fā)過程，是通過系統(tǒng)設計和電路設計，將設定的芯片規(guī)格形成設計版圖的過程。根據(jù)IC Insights統(tǒng)計，全球集成電路設計產業(yè)銷售額從2008年的438億美元增長至2020年的1,308億美元，年均復合增長率約為9.5%。

晶圓制造

晶圓制造是指在制備的晶圓材料上構建完整的物理電路。過程包括掩模制作、切片、研磨、擴散、光刻、刻蝕、離子注入等核心工藝。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，2018年全球晶圓產能為1,945萬片/月，預計到2022年全球晶圓產能將上升至2,391萬片/月，較2018年增長22.93%，年復合增長率為5.3%。

封裝測試

封裝測試是將生產出來的合格晶圓進行切割、焊線、塑封、切割成型，使芯片電路與外部器件實現(xiàn)電氣連接，并為芯片提供機械物理保護，并利用集成電路設計企業(yè)提供的測試工具，對封裝完畢的芯片進行功能和性能測試。全球移動通信電子產品、高性能計算芯片(HPC)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及5G等產品需求上升、高I/O數(shù)和高整合度先進封裝迅速發(fā)展是帶動IC封裝測試市場上升的主要原因，封測行業(yè)市場有望迎來高增長。

全球芯片產業(yè)鏈

資料來源：CIC灼識咨詢

過去的半個世紀，得益于半導體芯片產業(yè)飛速發(fā)展，在摩爾定律的驅動下，計算力一直保持著大跨度的發(fā)展。盡管改變立體晶體管結構可為摩爾定律續(xù)命，但不斷微縮的晶體管，特別是晶體管的特征尺寸逼近物理極限已是事實。各界紛紛預測，摩爾定律在不久的將來面臨失效，半導體工藝升級帶來的計算性能的提升將放緩，因新的替代材料和計算方式還未成熟，制程發(fā)展緩慢。

相較于傳統(tǒng)封裝，先進封裝作為制造的后道工序，正不斷前移，持續(xù)壓縮芯片體積、提高加工效率、提高設計效率，并減少設計成本。以晶圓級封裝為例，產品生產以圓片形式批量生產，可以利用現(xiàn)有的晶圓制造設備，封裝設計可以與芯片設計一次進行。這將縮短設計和生產周期，降低成本。此外，傳統(tǒng)封裝的封裝效率（裸芯面積/基板面積）較低，存在很大改良的空間。芯片制程受限的情況下，改進封裝便是另一條出路。先進封裝技術通過以點代線的方式實現(xiàn)電氣互聯(lián)，實現(xiàn)更高密度的集成，大大減小了對面積的浪費。

三、什么是先進封裝？

先進封裝技術主要包括Flip-Chip（倒裝）、Wafer Level Packaging（WLP，晶圓級封裝）、2.5D封裝和3D封裝以及系統(tǒng)級封裝(SiP)等，SiP技術奠定了先進封裝時代的開局，2D集成技術，如Wafer Level Packaging（WLP，晶圓級封裝）、Flip-Chip（倒裝）以及3D封裝技術、Through Silicon Via（TSV，硅通孔）等技術的出現(xiàn)進一步縮小芯片間的連接距離，提高元器件的反應速度，未來將繼續(xù)推進著先進封裝的腳步。

下圖是CIC灼識咨詢梳理的目前主要先進封裝工藝的介紹及主要作用：

資料來源：CIC灼識咨詢

四、先進封裝時代，封測設備作用凸顯

- 半導體設備投資占產業(yè)資本支出60%以上，極易形成壟斷，對于投資至關重要

半導體設備支撐著全球上萬億的電子軟硬件大生態(tài)，設備對整個半導體行業(yè)有著放大和支撐作用，其確立了整個半導體產業(yè)可達到的硬性尺寸標準邊際值。因此，半導體產業(yè)是信息產業(yè)的基礎，而半導體制造設備又是支撐半導體產業(yè)發(fā)展的基礎。

設備投資占半導體產業(yè)資本支出的60%以上，制造、封裝、測試設備的價值量大，直接影響著半導體生產的技術水平與良率。封裝行業(yè)精度、技術門檻高，設備精度要求在微米級別。由于良品率會導致生產成本的差異，半導體設備所能提供的良率將直接影響上層產品的盈利能力。根據(jù)思摩爾公司的測算，當良品率從85%提高至90%，毛利率將增加9.06%，當良品率進一步從85%增加至95%，對應的毛利率將增加17.3%。

資料來源：CIC灼識咨詢

頭部晶圓廠為應對各種芯片缺貨不斷擴充產能，廠商紛紛擴大投資；日本、歐美都出臺了相應的利好政策。這些因素驅動了大量半導體設備的購置需求。在SEMI全球半導體設備市場統(tǒng)計報告中顯示，2021年第一季度全球半導體設備的銷售額同比增長51%，比上一季度增長21%，達到236億美元，設備需求巨大。

根據(jù)CIC灼識咨詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年，全球半導體設備市場達到724億美元，預計到2025年將達到1,024億美元，復合年增長率為7.2％。

隨著先進封裝的不斷推進，SiP技術、3D封裝等技術逐漸顯露出巨大潛力，封測設備在半導體設備行業(yè)中的占比逐漸提升，CIC灼識咨詢預測，全球封測設備在半導體設備中的占比將從2020年的16.7%提升到2025年的18.6%，市場體量將達到約190億美金。

在封裝流程中，可將其按步驟分為貼片、引線、劃片與測試、切筋與塑封。

各類設備的市場占比情況如下：貼片機市場占30%，引線機市場約占23%，劃片和檢測設備占總市場份額的28%，切筋與塑封設備占比18%，電鍍設備在封裝設備行業(yè)中占比最小，大約在1%左右。

無論封裝方式如何演變，封裝過程都離不開貼裝過程。隨著芯片小型化的需求，要求貼片機的精度范圍在3~5微米之間。為了達到精細化的貼裝，封裝廠的先進封裝產線對貼片機的精度、速度、良品率、穩(wěn)定性的要求都非常高，在先進封裝過程中貼片機是最關鍵、最核心的設備。

資料來源：CIC灼識咨詢

先進封裝的關鍵設備——貼片機

貼片機可按照應用的不同分為先進分裝設備（包括FC封裝貼片機、FO封裝貼片機和2.5D/3D貼片機）和傳統(tǒng)封裝設備（包括傳統(tǒng)封裝貼片機和疊層封裝貼片機）。貼片機可高速、高精度地貼放元器件，并實現(xiàn)定位、對準、倒裝、連續(xù)貼裝等關鍵步驟。傳統(tǒng)封裝貼片機的生產速度可達到15千個每小時，疊層封裝可達到2千個每小時，先進封裝中FC封裝貼片機可達8千個每小時，F(xiàn)O封裝貼片機可達6千個每小時，而2.5D/3D貼片機則為2千個每小時。由于FC倒裝設備是否屬于先進封裝在業(yè)內存在爭議，因此晶圓級封裝的貼片機是先進封裝設備的最典型代表。

其他封裝設備

其他封裝設備中包括引線機、劃片機、塑封與切筋設備以及電鍍機。引線機按照焊接方式可以分為球形焊接和楔形焊接，大部分引線機焊接速度在每秒24根引線。主要應用于大功率器件、MOSFET、IGBT、發(fā)光二極管（LED）、激光管（激光）、中小型功率三極管、集成電路和一些特殊半導體器件的內引線焊接。由于倒裝技術的發(fā)展不再需要引線，因此引線機的市場份額會隨著先進封裝時代的發(fā)展而下降。在劃片機領域，大致可分為鐳射切割和刀片切割。鐳射切割主要應用于邏輯芯片，控制芯片等高技術要求的芯片，占比約為15到20%，刀片切割則應用于其余的低技術要求芯片中。劃片機的生產速度根據(jù)統(tǒng)計平均約為6千個每小時。塑封與切筋設備工作效率可達每小時35千個芯片，電鍍機大約在每小時150千個芯片左右。

先進封裝作為后摩爾時代一種最為重要和可預見的解決方案，正在快速崛起并被更多的業(yè)內人士認可與接納。從臺積和日月光開始，到國內的長電、通富、華天，越來越多的封裝企業(yè)開始布局先進封裝，2021年大量的先進封裝廠投入生產，封裝市場炙手可熱。本文主要探討了封裝設備，尤其是先進封裝設備市場的情況，我們可以看到，越來越多的新興企業(yè)進入這個行業(yè)，助力先進封裝設備行業(yè)進入繁榮期。未來預計先進封裝設備行業(yè)一定會誕生如ASML一般的巨頭，讓我們拭目以待！

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