晶圓制造朝封裝產業“滲透”,未來也許不止3D、4D
根據 Yole 的定義,如果一個die能在每平方毫米內能集成超過16個pitch小于130μm的I/O。如超高密度 (UHD) 扇出、嵌入式硅橋、硅中介層、3D 堆棧存儲器(例如 3D NAND)、高帶寬存儲器(HBM)和 3D 堆棧 DRAM 就是滿足這些標準的一些封裝平臺。
另一個值得考慮的平臺是 3DSoC,它采用芯片到晶圓 (D2W:die-to-wafer) 的混合鍵合。嵌入式硅橋(embedded Si bridges)有兩種可能的選擇:第一種,稱為 EMIB,由 Intel 提出并嵌入IC基板中;第二種是嵌入模制化合物(mold compound)中的硅中介層,由 TSMC (LSI) 和 SPIL (FOEB) 提供。
具體到硅中介層( Si interposers)方面,則有兩種產品:一種是傳統的或非有源的,通常由 TSMC、三星和 UMC 提供;另一種是有源的,即英特爾的 Foveros。把EMIB 與 Foveros 結合則產生了 Co-EMIB,這個技術被應用到了英特爾的 Ponte Vecchio處理器上。三星、SK海力士和美光則提供了3D 堆疊 DRAM 和 HBM 內存。
此外,Sony(自2015年起)和OmniVision(自2022年起)這樣的CIS供應商使用W2W混合鍵合生產的CMOS圖像傳感器也是一種3D堆疊封裝平臺,但它們不是高端性能平臺,因為它不能滿足I/O方面密度和間距的要求 ,這代表著其與上述封裝有著相當的差距。
前途無量的先進封裝市場
與其他封裝平臺相比,高端性能封裝的單位數量很小,但由于其復雜性導致平均售價較高,因此它產生的收入比例更高。預計到 2027 年收入將超過145億美元,高于 2022 年的 26億美元,這就意味著其在2022到2027年間的CAGR為41%。
這種健康增長歸因于包括云計算、網絡、人工智能、自動駕駛、個人計算和游戲在內的高性能計算終端系統的增加。這些應用都需要用更復雜的節點生產更大、更復雜的芯片,這些節點會隨著成本的增加而擴展。這些趨勢促使半導體行業制定具有高端封裝選項的系統級擴展策略,而不僅僅是擴展 FE 高級節點。
通過將大型單片 SoC 裸片拆分成更小的芯片并僅縮放最關鍵的電路組件,小芯片以及異構集成是降低縮放成本的一種選擇。這只能通過使用具有高連接密度、高帶寬和良好功率效率的 2.5D 和 3D 集成技術來實現。因此,由于研發和生產方面的重大進步,微凸塊、硅通孔 (TSV)、銅柱和混合鍵合正在推動高端性能應用中的 IO 密度和功能集成達到新高度。
3D SoC(包括die-to-wafer和die-to-die混合封裝)則被看作是10μm以下pitch技術的下一個突破點。作為前端封裝技術,這使得高端系統級性能與3D DRAM的更密集的3D IC堆疊、異構集成封裝和封裝分區SoC die成為可能。領先的供應商,尤其是臺積電、三星和英特爾,都以此為目標,提供或計劃提供尖端的混合鍵合解決方案。這也許是半導體和封裝世界之間的真正接觸點。
先進封裝正在向前端靠攏。證據在于代工廠和 IDM,因為它們正在成為市場上最先進的2.5D 和 3D 封裝解決方案領導者。OSAT 正努力順應這一趨勢,提供創新的先進封裝解決方案,以幫助解決摩爾定律放緩帶來的前端挑戰,但他們要打入混合鍵合市場將是極其困難的,因為他們缺乏前端能力和必要的資源。
當然,我們也必須承認,沒有事情是百分百的。
巨頭競逐先進封裝
和芯片制造環節一樣,封裝測試領域壟斷性也較強,從近五年市場份額排名來看,行業龍頭企業占據主要的份額,其中前三大OSAT廠商依然把控半壁江山,市占率合計超50%。
封裝測試環節中國企業表現可圈可點,長電科技(600584.SH) 、通富微電和華天科技(002185.SZ) 占據全球前十大外包封測廠的三席。
根據芯思想研究院(ChipInsights)發布的2021年全球委外封測(OSAT)榜單,長電科技以預估309.5億元營收在全球前十大OSAT廠商中排名第三,中國大陸第一;通富微電排在第五,華天科技排在第六。
長電科技已經布局先進封裝多年,掌握包括系統級SIP技術,高密度扇出型晶圓級技術,倒裝技術,2.5D/3D等并已實現了大規模的生產。
2021年,長電科技先進封裝(包括除打線與測試外的其它封裝形式)收入占比60%以上,傳統打線30%,剩余的為測試。2022年預期先進封裝的占比進一步提升。
在先進封裝方面,通富微電與AMD密切合作,是AMD的重要封測代工廠,2021年先進封裝營收占比達到70%。公司在Chiplet、WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D堆疊等方面均有布局和儲備,已大規模生產Chiplet產品,在CPU、GPU、服務器領域已實現7nm產品已大規模量產,5nm產品已完成研發即將量產。
當前先進封裝技術在整個封裝市場的占比正在逐步提升,根據Yole數據,先進封裝全球市場規模將會從2018年約276億美元增長至2024年約436億美元,在全球封裝市場的占比也從42.1%左右提升至49.7%左右;
2018-2024年全球先進封裝市場的CAGR約8%,相比同期整體封裝市場(CAGR=5%)和傳統封裝市場,先進封裝市場的增長更為顯著,將為全球封測市場貢獻主要增量。
在整個崛起的先進封裝市場中,掌握主流先進封裝技術的國內企業將持續上收益,Chiplet模式也打開封裝企業業務拓展和想象空間。
不過市場需要注意的是,Chiplet方案依然有很多技術需要實踐,且并不能代替核心先進制程,國內外先進制程差距仍需要時間和研發等去消化。
未來規模將趨于集中
根據Yole的數據,2016-2021年全球先進封裝市場CAGR達7.9%,2021年市場規模為321億美元,Yole預計在2027年達到572億美元的規模,對應2021-2027年CAGR高達10.1%,高于傳統封裝市場增速。此外,Yole預計到2026年,先進封裝市場將會追趕上傳統封裝的規模,占整體規模比例的50%,先進封裝的市場應用規模不斷擴大。
從成長幅度來看,3D堆疊/嵌入式封裝/晶圓級扇出型為發展最快速的前三大應用市場,Yole預測2019-2025的CAGR分別為21.3%/18%/16%,此外TSV作為2.5D/3D立體封裝會大量使用到的互連技術,Yole預測2019-2025的CAGR為29%,增長幅度大幅領先其他技術。
由于廠商需要長期的大額資本開支,全球委外封裝業務(OSAT)有較為集中的特性。在行業龍頭割據下,封測產業從地理位置上也呈現高度集中的態勢,2020年中國臺灣、中國大陸、美國市占率分別為52%/21%/15%,合計占據88%的市場份額。
2021年,全球前十大委外封測廠(OSAT)分別為日月光(含矽品)、安靠科技、長電科技、力成科技、通富微電、華天科技、智路封測、京元電子、南茂、頎邦,前八大廠商合計占據全球77.5%的市場份額。
從產品結構來看,日月光、長電科技更多的是高端數字IC的封測,包含手機芯片/處理器/CPU/射頻芯片等,安靠則多是汽車電子/射頻等產品封裝測試,三家企業為全球前三大封測廠,也是先進封裝發展最為突出的封測廠。
通富微電主力營收大多來自CPU/GPU/服務器和網通設備相關封裝測試,而力成科技則是更多都來自全球存儲器巨頭的存儲器封測訂單,華天科技則是以功率、射頻封裝、CIS為主,各封裝廠均有自己主要的封測領域。
值得一提的是,除了傳統委外封測代工廠(OSAT)外,晶圓代工廠以及IDM公司也都相繼成立自己的封裝廠,開發高端的封裝技術,包括臺積電、英特爾、三星等企業都已展開布局多年。中信證券徐濤8月9日研報中表示,在后摩爾時代,封裝行業變成兵家必爭之地,未來將會演變成晶圓制造廠有自己從制造到封裝的一體化工藝程序,而OSAT則是強者恒強,有望更加集中。
