集成電路封測包含封裝和測試兩個環(huán)節(jié)。
其中封裝是將通過測試的晶圓加工得到獨立芯片的過程,使電路芯片免受周圍環(huán)境的影響,起著保護芯片、增強導熱(散熱)性能、實現(xiàn)電氣和物理連接、功率分配、信號分配,以溝通芯片內(nèi)部與外部電路的作用,它是集成電路和系統(tǒng)級板如印制板(PCB)互連實現(xiàn)電子產(chǎn)品功能的橋梁,主要有電氣特性的保持、芯片保護、應(yīng)力緩和及尺寸調(diào)整配合四大功能。
測試主要是對芯片產(chǎn)品的性能和功能進行測試,并挑選出功能、性能不符合要求的產(chǎn)品,主要有直流參數(shù)測試、交流參數(shù)測試、功能項目測試、混合信號模塊測試、模擬模塊測試、射頻模塊測試。
集成電路封測是集成電路產(chǎn)品制造的后道工序
集成電路是半導體產(chǎn)業(yè)的核心,又稱IC、芯片,是將晶體管、電阻、電容等電子元器件全部集成在微型基板上并形成電路互聯(lián),成為能執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的一種微型結(jié)構(gòu),是半導體中的一種。由于集成電路在消費電子、高端制造、網(wǎng)絡(luò)通訊、家用電器、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,因此已成為了衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標志之一。
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國集成電路封測行業(yè)發(fā)展趨勢分析與未來投資預(yù)測報告(2022-2029年)》顯示,近年來隨著集成電路的結(jié)構(gòu)越發(fā)復雜,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨向高度專業(yè)化,分工模式進一步細化,因而從產(chǎn)業(yè)鏈的上游到下游依次形成了集成電路的設(shè)計、晶圓制造以及封裝測試三個子產(chǎn)業(yè)群。
圖片來源:觀研天下整理
我國集成電路行業(yè)發(fā)展相對較晚,于1965年研制出第一塊硅基數(shù)字集成電路,并且直到20世紀90年代才真正形成芯片設(shè)計、晶圓制造和封裝測試的完整產(chǎn)業(yè)鏈,進入重點建設(shè)期。
尤其是自全球集成電路行業(yè)開始第三次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移(即向中國大陸轉(zhuǎn)移)以來,我國憑借其巨大的消費電子市場、龐大的電子制造業(yè)基礎(chǔ)以及勞動力成本優(yōu)勢,吸引了全球集成電路公司在國內(nèi)投資。目前我國已成為全球前沿的集成電路終端產(chǎn)品消費市場和制造基地。
數(shù)據(jù)顯示,2021年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額為10458.3億元,同比增長18.2%。其中,設(shè)計業(yè)銷售額為4519億元,同比增長19.6%;制造業(yè)銷售額為3176.3億元,同比增長24.1%;封裝測試業(yè)銷售額2763億元,同比增長10.1%。預(yù)計2022年我國集成電路銷售額將達11386億元。
圖片來源:觀研天下整理
制造方面,近年來受益于集成電路產(chǎn)業(yè)加速向中國大陸轉(zhuǎn)移,集成電路進口替代也將加快步伐。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù),2021年我國集成電路總生產(chǎn)量從2011年的761.80億塊增長至的3,594.30億塊,年復合增長率為16.78%;2022年1-2月我國集成電路產(chǎn)量達573.3億塊。而作為對照,2021年國內(nèi)集成電路進口金額從2011年的1,701.99億美元增長4,325.54億美元,年復合增長率為4.42%。可見近年來我國集成電路生產(chǎn)速度快于集成電路進口增長速度,表明我國集成電路行業(yè)國產(chǎn)替代速度加快,集成電路生產(chǎn)量不斷提高,已部分實現(xiàn)國產(chǎn)替代。
數(shù)據(jù)來源:國家統(tǒng)計局,觀研天下整理
集成電路封測業(yè)將充分受益于全球晶圓產(chǎn)能轉(zhuǎn)移帶來的封測市場需求傳導
受益集成電路產(chǎn)業(yè)加速向中國大陸轉(zhuǎn)移的趨勢,全球晶圓制造產(chǎn)能也不斷向中國大陸轉(zhuǎn)移,諸如臺積電、中芯國際、長江存儲等企業(yè)在中國大陸大力投資建廠。有相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2020年我國大陸地區(qū)晶圓產(chǎn)能已從2011年的9%提升至22.8%,成為全球大晶圓生產(chǎn)國。預(yù)計2025年,我國大陸地區(qū)晶圓產(chǎn)能占全球的比例將進一步提高。而集成電路封測業(yè)作為晶圓制造產(chǎn)業(yè)鏈的下游環(huán)節(jié),將充分受益于全球晶圓產(chǎn)能轉(zhuǎn)移帶來的封測市場需求傳導。
數(shù)據(jù)顯示,2015-2020年,我國集成電路封裝測試行業(yè)市場規(guī)模呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。2017年我國封裝測試行業(yè)銷售收入增長率達到20.77%,為5年來的高水平,隨后因部分集成電路封測企業(yè)開始轉(zhuǎn)型到技術(shù)含量更高的集成電路設(shè)計和制造領(lǐng)域?qū)е录呻娐贩鉁y行業(yè)的市場規(guī)模增長率開始下降。2020年我國集成電路封測業(yè)市場規(guī)模為2510億元,較2019年同比增長6.8%。2021年封裝測試業(yè)銷售額2763億元,同比增長10.1%。
數(shù)據(jù)來源:觀研天下整理
先進封裝成封測行業(yè)成長驅(qū)動力
1 “摩爾定律”發(fā)展陷入瓶頸,集成電路進入后摩爾時代
在集成電路制程方面,“摩爾定律”認為集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔 18-24 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。長期以來,“摩爾定律”一直促進著集成電路制程技術(shù)的發(fā)展與進步,自 1987 年的 1um 制程至 2015 年的 14nm 制程,集成電路制程迭代一直符合“摩爾定律”的規(guī)律。但 2015 年以后,集成電路制程的發(fā)展進入了瓶頸,7nm、5nm、3nm 制程的量產(chǎn)進度均落后于預(yù)期。隨著臺積電宣布 2nm 制程工藝實現(xiàn)突破,集成電路制程工藝已接近物理尺寸的極限,行業(yè)進入了“后摩爾時代”。
2 后摩爾時代,先進封裝成為提升芯片性能的重要途徑
而“后摩爾時代”制程技術(shù)突破難度較大,工藝制程受成本大幅增長和技術(shù)壁壘等因素上升改進速度放緩。根據(jù)市場調(diào)研 機構(gòu) ICInsights 統(tǒng)計,28nm 制程節(jié)點的芯片開發(fā)成本為 5,130 萬美元,16nm 節(jié)點的開發(fā) 成本為 1 億美元,7nm 節(jié)點的開發(fā)成本需要 2.97 億美元,而 5nm 節(jié)點開發(fā)成本則上升 至 5.4 億美元。由于集成電路制程工藝短期內(nèi)難以突破,通過先進封裝技術(shù)提升芯片整體性能成為了集成電路行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。
3 晶圓級封裝、系統(tǒng)級封裝成為未來發(fā)展方向
隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)呻娐沸酒墓δ堋⒛芎募绑w積要求越來越高,集成電路技術(shù)發(fā)展形成了兩個方向:單芯片系統(tǒng)(SoC, System on Chip)和系統(tǒng)級封裝(SiP,System in Package)。其中單芯片系統(tǒng)(SoC)是從設(shè)計和晶圓制造角度出發(fā),將系統(tǒng)所需的組件和功能集成到一枚芯片上;系統(tǒng)級封裝(SiP)則是從封裝角度出發(fā),將不同功能的芯片和元器件組裝到一個封裝體內(nèi)。
圖片來源:TrendForce,桐曦資本整理
4 系統(tǒng)級封裝(SiP)是先進封裝市場的重要動力
系統(tǒng)級封裝(SiP)可以把多枚功能不同的晶粒(Die,如運算器、傳感器、存儲器)、不同功能的電子元器件(如電阻、電容、電感、濾波器、天線)甚至微機電系統(tǒng)、光學器件混合搭載于同一封裝體內(nèi),產(chǎn)品靈活度大,研發(fā)成本和周期遠低于復雜程度相同的單芯片系統(tǒng)(SoC)。在后摩爾時代,SiP 開發(fā)成本較低、開發(fā)周期較短、集成方式靈活多變,具有更大的設(shè)計自由度。針對有更多功能、更高頻率、更低功耗需求的應(yīng)用市場,包括 5G 通信用的射頻前端、物聯(lián)網(wǎng)用的傳感器芯片、智能汽車用的功率芯片等,系統(tǒng)級封裝(SiP)具有較為顯著的優(yōu)勢,下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο冗M封裝的依賴程度增加,先進封裝企業(yè)迎來更好的發(fā)展機遇。
5 新興應(yīng)用場景快速興起,先進封裝下游應(yīng)用廣泛
隨著 5G 通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、視覺識別、自動駕駛等下游應(yīng)用場景的快速興起,應(yīng)用市場對芯片功能多樣化的需求程度越來越高。在芯片制程技術(shù)進入“后摩爾時代”后,先進封裝技術(shù)能在不單純依靠芯片制程工藝實現(xiàn)突破的情況下,通過晶圓級封裝和系統(tǒng)級封裝,提高產(chǎn)品集成度功能多樣化,滿足終端應(yīng)用對芯片輕薄、低功耗、高性能的需求,同時大幅降低芯片成本。因此,先進封裝在高端邏輯芯片、存儲器、射頻芯片、圖像處理芯片、觸控芯片等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。
以系統(tǒng)級封裝為例,目前系統(tǒng)級封裝更大的下游應(yīng)用市場是以智能手機為代表的移動消費電子領(lǐng)域,占比達到70%。而根據(jù)預(yù)測分析,未來系統(tǒng)級封裝增長快速的應(yīng)用市場將是可穿戴設(shè)備、Wi-Fi 路由器、IoT 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施以及電信基礎(chǔ)設(shè)施。尤其隨著 5G 通訊的推廣和普及,5G 基站對倒裝球柵陣列(FC-BGA)系統(tǒng)級封裝芯片的需求將大幅上升,未來 5 年基站類系統(tǒng)級芯片市場規(guī)模年均復合增長率預(yù)計高達 41%。
數(shù)據(jù)來源:Yole,觀研天下整理
6 市場預(yù)測分析
2021年,“SiP已經(jīng)成為高端片芯到片芯(die-to-die)小芯片型(chiplet-type)先進集成中以同等先進封裝工藝提升手機融合與功能的代名詞。” Yole半導體、存儲及計算事業(yè)部封裝技術(shù)及市場分析師Vaibhav Trivedi斷言。他補充道:“SiP平臺在整合技術(shù)的競爭中對實現(xiàn)‘超摩爾定律’至關(guān)重要,因為高端封裝仍處于技術(shù)的前沿。”
Yole預(yù)計,SiP市場將從2020年140億美元增長到2026年190億美元。SiP產(chǎn)品系列包含高端和中端SiP器件,而這些針對計算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的器件比手機上的低端SiP利潤更高。高端SiP市場預(yù)計將在2020年和2026年之間增長9%(CAGR),手機中的低端RF SiP市場預(yù)計同期將略微增長5%(CAGR)。
數(shù)據(jù)來源:Yole,桐曦資本整理
自2015年以來,國內(nèi)廠商通過兼并收購,快速積累先進封裝技術(shù),目前封測廠商技術(shù)平臺基本做到與海外同步,中國大陸先進封裝產(chǎn)值占全球比例也在逐漸提升。數(shù)據(jù)顯示,2020年中國大陸先進封裝產(chǎn)值占全球比例從 2015 年的10.3%提升至 14.8%。而作為全球前沿的半導體消費國,在“下游需求高景氣度+集成電路高端領(lǐng)域國產(chǎn)替代加速”的雙輪驅(qū)動下,我國先進封裝產(chǎn)值占全球比重有望進一步提高。
數(shù)據(jù)來源:Yole,觀研天下整理
目前封裝測試業(yè)是我國集成電路行業(yè)中發(fā)展中更為成熟的細分行業(yè),在世界上擁有較強競爭力。有相關(guān)資料顯示,2016-2020年期間,中國大陸封測市場的年復合增長率為 12.54%,遠高于全球封測市場 3.89%的增長速度。2019 年我國封裝測試企業(yè)在全球市場中的占有率高達 64.00%,其中中國臺灣企業(yè)占 43.90%,中國大陸企業(yè)占 20.10%,均高于美國的 14.60%。
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