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1、集成電路進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”,先進(jìn)封裝作用突顯
在集成電路制程方面,“摩爾定律”認(rèn)為集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。長(zhǎng)期以來(lái),“摩爾定律”一直引領(lǐng)著集成電路制程技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)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(jìn)入了瓶頸,7nm、5nm、3nm 制程的量產(chǎn)進(jìn)度均落后于預(yù)期。隨著臺(tái)積電宣布 2nm 制程工藝實(shí)現(xiàn)突破,集成電路制程工藝已接近物理尺寸的極限,集成電路行業(yè)進(jìn)入了“后摩爾時(shí)代”。
“后摩爾時(shí)代”制程技術(shù)突破難度較大,工藝制程受成本大幅增長(zhǎng)和技術(shù)壁壘等因素上升改進(jìn)速度放緩。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) IC Insights 統(tǒng)計(jì),28nm 制程節(jié)點(diǎn)的芯片開(kāi)發(fā)成本為 5,130 萬(wàn)美元,16nm 節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)成本為 1 億美元,7nm節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)成本需要2.97億美元,5nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)成本上升至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(guò)先進(jìn)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(shì)。
2、先進(jìn)封裝將成為未來(lái)封測(cè)市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)
隨著 5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、視覺(jué)識(shí)別、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景的快速興起,應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)芯片功能多樣化的需求程度越來(lái)越高。在芯片制程技術(shù)進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”后,先進(jìn)封裝技術(shù)能在不單純依靠芯片制程工藝實(shí)現(xiàn)突破的情況下,通過(guò)晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝,提高產(chǎn)品集成度和功能多樣化,滿足終端應(yīng)用對(duì)芯片輕薄、低功耗、高性能的需求,同時(shí)大幅降低芯片成本。
因此,先進(jìn)封裝在高端邏輯芯片、存儲(chǔ)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。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) GIA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),中國(guó)先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模到 2026 年將達(dá)到 76 億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為 6.2%,相比于其他國(guó)家增長(zhǎng)最快。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),全球先進(jìn)封裝在集成電路封測(cè)市場(chǎng)中所占份額將持續(xù)增加,2019 年先進(jìn)封裝占全球封裝市場(chǎng)的份額約為 42.60%。2019年至2025年,全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將以6.6%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng),并在 2025 年占整個(gè)封裝市場(chǎng)的比重接近于 50%。與此同時(shí),Yole 預(yù)測(cè) 2019 年至2025年全球傳統(tǒng)封裝年均復(fù)合增長(zhǎng)率僅為 1.9%,增速遠(yuǎn)低于先進(jìn)封裝。
3、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)是先進(jìn)封裝市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿?/strong>
系統(tǒng)級(jí)封裝可以把多枚功能不同的晶粒(Die,如運(yùn)算器、傳感器、存儲(chǔ)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(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)器件混合搭載于同一封裝體內(nèi),系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品靈活度大,研發(fā)成本和周期遠(yuǎn)低于復(fù)雜程度相同的單芯片系統(tǒng)(SoC)。
以 2015 年美國(guó)知名企業(yè)推出的可穿戴智能手表為例,其采用了日月光的系統(tǒng)級(jí)封裝,將AP處理器、SRAM內(nèi)存、NAND閃存、各種傳感器、通訊芯片、功耗管理芯片以及其他被動(dòng)電子元器件均集成在一塊封裝體內(nèi)。
通過(guò)系統(tǒng)級(jí)封裝形式,此可穿戴智能產(chǎn)品在成功實(shí)現(xiàn)多種功能的同時(shí),還滿足了終端產(chǎn)品低功耗、輕薄短小的需求。
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Yole 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019 年全球系統(tǒng)級(jí)封裝規(guī)模為 134 億美元,占全球整個(gè)封測(cè)市場(chǎng)的份額為23.76%,并預(yù)測(cè)到2025年全球系統(tǒng)級(jí)封裝規(guī)模將達(dá)到 188 億美元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 5.81%。
在系統(tǒng)級(jí)封裝市場(chǎng)中,倒裝/焊線類系統(tǒng)級(jí)封裝占比最高,2019 年倒裝/焊線類系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模為 122.39 億美元,占整個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝市場(chǎng)的91.05%。根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),2025 年倒裝/焊線類系統(tǒng)級(jí)封裝仍是系統(tǒng)級(jí)封裝主流產(chǎn)品,市場(chǎng)規(guī)模將增至 171.77億美元。
現(xiàn)階段,以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)消費(fèi)電子領(lǐng)域是系統(tǒng)級(jí)封裝最大的下游應(yīng)用市場(chǎng),占了系統(tǒng)級(jí)封裝下游應(yīng)用的 70%。根據(jù) Yole 預(yù)測(cè),未來(lái) 5 年,系統(tǒng)級(jí)封裝增長(zhǎng)最快的應(yīng)用市場(chǎng)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(duì)倒裝球柵陣列(FC-BGA)系統(tǒng)級(jí)封裝芯片的需求將大幅上升,未來(lái) 5年基站類系統(tǒng)級(jí)芯片市場(chǎng)規(guī)模年均復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)高達(dá) 41%。
甬矽電子目前已熟練掌握芯片倒裝技術(shù)(Flip-Chip)和多種系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)(SiP),并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。甬矽電子系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品種類包括焊線類系統(tǒng)級(jí)封裝、倒裝類系統(tǒng)級(jí)封裝、混裝類系統(tǒng)級(jí)封裝、堆疊類系統(tǒng)級(jí)封裝等多數(shù)主流系統(tǒng)級(jí)封裝形式,公司系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品在單一封裝體中可同時(shí)封裝 7 顆晶粒(包含5顆倒裝晶粒、2顆焊線晶粒)、24顆以上 SMT元器件(電容、電阻、電感、天線等)。
2020年,甬矽電子系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品收入為 33,986.21萬(wàn)元,占主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的 45.93%;2021 年,甬矽電子系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品收入為 113,522.65 萬(wàn)元,占主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的 55.62%,處于國(guó)內(nèi)封測(cè)行業(yè)先進(jìn)水平。
4、高密度細(xì)間距凸點(diǎn)倒裝產(chǎn)品(FC)類產(chǎn)品在移動(dòng)和消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展空間較大
所謂“倒裝”是相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式(Wire Bonding,WB)而言的。傳統(tǒng) WB 工藝,芯片通過(guò)金屬線鍵合與基板連接,電氣面朝上;倒裝芯片工藝是指在芯片的 I/O 焊盤(pán)上直接沉積,或通過(guò) RDL 布線后沉積凸點(diǎn)(Bumping),然后將芯片翻轉(zhuǎn),進(jìn)行加熱,使熔融的焊料與基板或框架相結(jié)合,芯片電氣面朝下。
與 WB 相比,F(xiàn)C 封裝技術(shù)的 I/O 數(shù)多;互連長(zhǎng)度縮短,電性能得到改善;散熱性好,芯片溫度更低;封裝尺寸與重量也有所減少。與應(yīng)用FC 技術(shù)的 SiP 芯片不同,F(xiàn)C 芯片的沉積凸點(diǎn)(Bumping)更多,密度更大,大大減小了對(duì)面積的浪費(fèi)。相比應(yīng)用 FC 技術(shù)的 SiP 芯片來(lái)說(shuō),F(xiàn)C 芯片有著諸多的優(yōu)勢(shì),比如更小的封裝尺寸與更快的器件速度。
據(jù) Yole 數(shù)據(jù),2020 年至 2026 年,先進(jìn)封裝收入預(yù)計(jì)將以 7.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。到 2026年,F(xiàn)C-CSP(倒裝芯片級(jí)尺寸封裝)細(xì)分市場(chǎng)將達(dá)到 100億美元以上。這些封裝解決方案主要用于基帶、射頻收發(fā)器、存儲(chǔ)器和一些PMIC應(yīng)用。按收入細(xì)分,移動(dòng)和消費(fèi)市場(chǎng)占 2019 年先進(jìn)封裝總收入的 85%,Yole 預(yù)計(jì)到 2025年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 5.5%,占先進(jìn)封裝總收入的 80%。而 FC-CSP封裝在移動(dòng)和消費(fèi)市場(chǎng)中占有一席之地,主要用于 PC、服務(wù)器和汽車(chē)應(yīng)用中使用的智能手機(jī) APU、RF 組件和 DRAM 設(shè)備。
5、扁平無(wú)引腳封裝產(chǎn)品(QFN/DFN)產(chǎn)品仍擁有較大容量的市場(chǎng)規(guī)模
QFN/DFN 封裝形式雖屬于中端封裝類型,但市場(chǎng)容量較大,短期內(nèi)被替代的可能性較低。QFN/DFN 類產(chǎn)品有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)物理層面:體積小、重量輕、效率高。
以輸入輸出(I/O)腳數(shù)為 24腳舉例,將低端的 DIP(Dual inline package)和 SOP(Small outline package)與中端的 QFN 做個(gè)粗略的對(duì)比。
從封裝效率(芯片面積與封裝面積之比值趨向1為高效率)看,低端的DIP封裝效率只有 0.05-0.1 非常低,SOP 封裝效率為 0.1-0.2,而中端的 QFN 封裝效率可以做到 0.3-0.4,無(wú)散熱焊盤(pán)的 QFN 甚至可以做到 0.5,間接說(shuō)明 QFN 封裝相比傳統(tǒng)封裝具有更高的封裝效率。
(2)品質(zhì)層面:散熱性能強(qiáng)、電性能好、可靠性強(qiáng)。
QFN 封裝的底部中央位置通常有一個(gè)大面積裸露焊盤(pán)用來(lái)導(dǎo)熱,這個(gè)焊盤(pán)可做直接散熱通道,用于傳導(dǎo)封裝體內(nèi)芯片工作產(chǎn)生的熱量;焊盤(pán)經(jīng)過(guò)表面貼裝后直接焊接在電路板(PCB)上,PCB 散熱孔可以把多余的功耗擴(kuò)散到銅接地板中吸收多余的熱量,極大提升了芯片的散熱性。
QFN 封裝不同于具有鷗翼狀引腳的傳統(tǒng)DIP或 SOP封裝,QFN封裝經(jīng)過(guò)表面貼裝后管腳與 PCB焊盤(pán)之間的導(dǎo)電路徑短,自感系數(shù)和封裝體內(nèi)的布線電阻很低,所以它也可以提供良好的電性能。QFN 封裝使用的載體多為平面設(shè)計(jì)金屬框架,采用精準(zhǔn)可控的蝕刻方式生產(chǎn)制造,因此具有框架表面處理方式多樣化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣化的特點(diǎn),且搭配屬性相吻合的塑封材料,可以改進(jìn)、增強(qiáng)封裝體內(nèi)部各界層的結(jié)合力,阻止外部濕氣進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部造成芯片失效,增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性;且 QFN 封裝本身采用的就是金屬載體不存在類似基板封裝有吸收水汽的風(fēng)險(xiǎn),因此 QFN 封裝較傳統(tǒng)的 DIP、SOP 甚至 BGA、LGA封裝都可以具有更好的可靠性表現(xiàn)。
(3)具備更高的性價(jià)比
如果單純比較價(jià)格,QFN相對(duì)于傳統(tǒng)的DIP/SOP封裝更高,但低于BGA類封裝;從性價(jià)比角度,QFN 具備更高的性價(jià)比。在低端性能芯片的紅海市場(chǎng),由于成本壓力過(guò)大設(shè)計(jì)公司還會(huì)選擇傳統(tǒng)的 DIP、SOP 封裝;但是在中端性能芯片的市場(chǎng)上,設(shè)計(jì)公司則往往會(huì)選擇可造性強(qiáng)、成本合適的 QFN 封裝,更高端性能的芯片維持 BGA或 CSP封裝。從實(shí)際案例來(lái)看,大型芯片設(shè)計(jì)公司在市場(chǎng)推廣的時(shí)候往往會(huì) QFN 和 BGA 兩套封裝方案同時(shí)推出(在芯片可使用 QFN和 BGA兩種封裝條件下),而 QFN價(jià)格比 BGA更低。
QFN封裝目前覆蓋的芯片制造工藝范圍非常廣,28nm工藝制造的芯片也有成功的大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn), QFN 封裝是一種極具適用能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高性價(jià)比的封裝形式,在短期內(nèi)出現(xiàn)替代封裝的可能性不高。此外,QFN 封裝也在向大尺寸、模組化進(jìn)行發(fā)展。結(jié)合 QFN的優(yōu)點(diǎn),整體而言,QFN在中端、中高端芯片領(lǐng)域具備更廣泛應(yīng)用的能力。
6、微機(jī)電系統(tǒng)傳感器(MEMS)
微機(jī)電系統(tǒng)在近些年應(yīng)用越來(lái)越廣泛,隨著傳感器、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大規(guī)模落地,MEMS 封裝也備受關(guān)注。
目前 MEMS 封裝市場(chǎng)規(guī)模在 27 億美元左右,2016~2022 年間將會(huì)維持 16.7%的年復(fù)合增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)。其中 RF MEMS 封裝市場(chǎng)是主要驅(qū)動(dòng),2016~2022 年間,年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 35.1%。