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封裝環(huán)節(jié)焊線機(jī)國(guó)產(chǎn)化率仍較低，關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化難度較高
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 大族封測(cè)    2023-12-29

半導(dǎo)體封裝包括較多步驟和制程，其中核心環(huán)節(jié)為固晶、焊線、塑封、切筋等四大工序，分別對(duì)應(yīng)固晶機(jī)、焊線機(jī)、塑封機(jī)和切筋機(jī)等半導(dǎo)體設(shè)備。引線鍵合設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率遠(yuǎn)低于其他制程設(shè)備，高端封測(cè)裝備仍依賴進(jìn)口。

目前，中國(guó)在封裝核心設(shè)備研發(fā)制造上總體仍與國(guó)外企業(yè)具有差距，研發(fā)生產(chǎn)的設(shè)備在精度、技術(shù)含量方面與國(guó)外主流機(jī)型相比仍有不小的差距，整個(gè)半導(dǎo)體集成電路封裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)處在從產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈底端向上爬升的過程。根據(jù) MIR DATABANK，2021 年我國(guó)封測(cè)設(shè)備的綜合國(guó)產(chǎn)化率為 10%。

（1）固晶機(jī)

固晶設(shè)備可細(xì)分為 IC 固晶機(jī)、分立器件固晶機(jī)、LED 類固晶機(jī)，廣泛應(yīng)用于光電器件、存儲(chǔ)器件、邏輯器件、微處理器等領(lǐng)域。根據(jù) Yole Development 預(yù)測(cè)，全球固晶機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)從 2018 年的 9.79 億美元增至 2024 年的 13.89 億美元，其中 LED 固晶機(jī)全球規(guī)模預(yù)計(jì)從 2.74 億美元增長(zhǎng)至 3.06 億美元。在細(xì)分領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率呈現(xiàn)兩極分化態(tài)勢(shì)。

IC 固晶機(jī)因更注重小尺寸精度要求，開發(fā)難度較大，國(guó)產(chǎn)化率較低；LED 固晶機(jī)則更重視固晶效率和良率，國(guó)產(chǎn)化在成本上更具優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)化率已超 90%。

（2）焊線機(jī)

根據(jù) MIR DATABANK，2021 年焊線設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率僅 3.00%，國(guó)內(nèi)進(jìn)口額達(dá) 15.85億美元，同比增長(zhǎng) 136.92%。根據(jù)百孚觀察，在國(guó)內(nèi) LED 焊線機(jī)領(lǐng)域，K&S、ASMPT和 Kaijo 等國(guó)際領(lǐng)先廠商合計(jì)占據(jù)了約 82%的優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)份額，隨著中國(guó)持續(xù)位居全球LED 產(chǎn)能首位及國(guó)內(nèi)廠商崛起的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)廠商開始在中低端市場(chǎng)占據(jù)重要席位；在對(duì)設(shè)備精度、速度、穩(wěn)定性、一致性等要求更高的半導(dǎo)體焊線機(jī)領(lǐng)域，以 K&S、ASMPT、Kajio 等國(guó)際領(lǐng)先廠商為代表的寡頭壟斷格局仍然較為穩(wěn)固，合計(jì)所占市場(chǎng)份額超過95%。

作為 LED 及半導(dǎo)體封測(cè)的難點(diǎn)制程環(huán)節(jié)，引線鍵合對(duì)焊線設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用提出了較高的要求，具備極高的技術(shù)門檻和技術(shù)壁壘，其先進(jìn)性主要體現(xiàn)在高速、高精度、穩(wěn)定性及一致性上。

引線鍵合作為封裝環(huán)節(jié)最關(guān)鍵的步驟之一，具有極高的技術(shù)壁壘，使用的焊線設(shè)備對(duì)速度、精度、穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，相較于其他制程步驟的設(shè)備，焊線機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代率仍較低，主要系我國(guó)的引線鍵合機(jī)開發(fā)起步晚，需突破的技術(shù)門檻較多。引線鍵合制程的核心難點(diǎn)主要為：引線在焊盤的鍵合質(zhì)量以及引線在三維空間的線弧軌跡。

① 引線在三維空間的線弧軌跡

引線在三維空間的線弧形狀，即依靠正交的 XYZ 三個(gè)高速運(yùn)動(dòng)軸在空間形成的形狀，決定了線弧的機(jī)械強(qiáng)度，直接影響下一環(huán)節(jié)塑封的質(zhì)量。在焊線機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，XYZ 三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸不僅存在機(jī)械震動(dòng)模態(tài)的相互影響，也存在動(dòng)力學(xué)上的耦合。在 XYZ進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)形成線弧的同時(shí)，焊線機(jī)需在 45ms 的焊線周期內(nèi)同時(shí)控制線夾開合數(shù)次。

上述對(duì)線弧的精密控制，依賴于能夠完成多軸同步、動(dòng)力學(xué)解耦、震動(dòng)抑制和控制多輸入輸出伺服的高精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，隨著芯片設(shè)計(jì)、框架結(jié)構(gòu)和塑封工藝要求的不同，不同封裝對(duì)線弧提出不同要求，需在三維空間利用 XYZ 的正交運(yùn)動(dòng)，對(duì)引線進(jìn)行折彎和拉弧，這也導(dǎo)致封裝制程需下沉到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

② 引線在焊盤上鍵合的質(zhì)量

引線在焊盤上鍵合的質(zhì)量，取決于對(duì)焊盤位置的準(zhǔn)確鑒別，在技術(shù)層面即對(duì)邦頭（Z）的精確力-位雙控、對(duì)超聲波換能器的準(zhǔn)確控制以及能夠承受 XY 高加速度的精密光學(xué)系統(tǒng)。高質(zhì)量的精密光學(xué)系統(tǒng)在 XY 準(zhǔn)確定位的同時(shí)，利用高速工業(yè)相機(jī)抓拍圖像，視覺系統(tǒng)同步對(duì)圖像進(jìn)行分析，找到圖像中焊盤的準(zhǔn)確位置，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 XY 坐標(biāo)；準(zhǔn)確的邦頭（Z）力-位雙控能決定焊球在焊盤上的成型，在焊球接觸焊盤前，邦頭處于位置控制模式下，當(dāng)焊球接觸焊盤時(shí)，邦頭需要切換成力控制，以便控制焊球成型。

在力控階段，超聲波換能器開始輸出，對(duì)焊球和焊盤進(jìn)行鍵合，對(duì)超聲波換能器的準(zhǔn)確控制，直接決定了邦定質(zhì)量，包括合金層的形成和對(duì)焊盤的機(jī)械沖擊。

在利用焊線機(jī)進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，需要在不同機(jī)臺(tái)上對(duì)芯片進(jìn)行引線鍵合，其對(duì)應(yīng)的線弧形狀和邦定質(zhì)量應(yīng)保證穩(wěn)定性和一致性。因此，焊線機(jī)不同機(jī)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制性能、超聲波輸出等均需經(jīng)過精密校正。

國(guó)際主流廠商均采用核心模塊的全封閉閉環(huán)開發(fā)模式，形成研發(fā)技術(shù)壁壘，以防止核心技術(shù)外流。由于核心模塊需融合封裝制程知識(shí)，市場(chǎng)上缺乏有能力提供焊線機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、力-位控制、超聲波換能器控制等成套解決方案的供應(yīng)商，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍缺乏系統(tǒng)性的機(jī)械、運(yùn)控、光學(xué)的底層技術(shù)開發(fā)能力，導(dǎo)致焊線設(shè)備的底層核心難點(diǎn)難以突破，不同模塊間通信交互延遲嚴(yán)重，設(shè)備性能難以提升。隨著高動(dòng)態(tài)、高精密的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)被國(guó)產(chǎn)廠商攻克，焊線機(jī)國(guó)產(chǎn)化程度將逐步提升。

根據(jù)中國(guó)海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年我國(guó)半導(dǎo)體焊線機(jī)進(jìn)口額達(dá)到 15.85 億美元，同比增長(zhǎng) 136.92%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求依然旺盛，根據(jù)專業(yè)投資機(jī)構(gòu)鼎暉百孚的市場(chǎng)調(diào)研信息，全球焊線機(jī)（考慮 IC、LED）單月出貨量在 4,000-4,500 臺(tái)，國(guó)內(nèi)占比約 70%。保守測(cè)算下，國(guó)內(nèi)焊線機(jī)市場(chǎng)（考慮 IC、LED）規(guī)模在 70-80 億/年。隨著市場(chǎng)對(duì) 5G、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智慧照明、車用 LED 的持續(xù)需求以及 LED 多個(gè)新領(lǐng)域進(jìn)入快速產(chǎn)業(yè)化階段，焊線機(jī)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

思瀚發(fā)布《2023-2028年中國(guó)焊線機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》