半導體生產流程由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和封裝后測試組成。
半導體封測即為半導體封裝測試,是指將通過測試的晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。
圖 半導體生產流程
圖 典型封裝工藝的過程
圖 封裝產業鏈
集成電路封裝測試包括封裝和測試兩個環節,是半導體產業鏈和集成電路產業鏈的下游。根據 Gartner 統計,封裝環節價值占封測 比例約為 80%-85%,測試環節價值占比約 15%-20%。
據中國半導體行業協會報道,受新冠肺炎疫情導致的宅經濟發展,以及5G、智能化、新基建等新興應用驅動,催生了芯片市場的繁榮,半導體市場需求增長,缺貨行情持續。這種情況也延伸到了半導體產業鏈下游的封測領域。中國更早復工復產,使得中國廠商獲得更多的市場機會。2021年年初國內封測大廠紛紛發布2020財報,盈利均有不俗的表現,同時訂單飽滿、產能處于供不應求狀態。
根據WSTS統計,2020年全球半導體市場銷售額4390億美元,同比增長了6.5%。中國半導體行業協會統計,2020年中國集成電路產業銷售額為8848億元,同比增長17%。其中,設計業銷售額為3778.4億元,同比增長23.3%;制造業銷售額為2560.1億元,同比增長19.1%;封裝測試業銷售額2509.5億元,同比增長6.8%。
圖 半導體行業收入增長趨勢圖
產業鏈價值鏈商業模式
2.1.1 產業鏈價值鏈
各行各業如今都在追求“效率”、“能效”,電源、功率相關的應用上,更高的效率意味著更高的功率密度:包括追求體積更小的解決方案,并確保所需的功率級;包括數據中心、電動汽車等諸多領域,都有這樣的需求。與此同時電源管理系統對于實現更高的效率,降低總成本也是有價值的。
這些需求自然也推升了半導體材料的突破,所以這兩年原本主流基于硅的功率半導體因受限于高壓,當前行業正轉向更高開關頻率、最小化開關損耗的的方案。
半導體封裝測試行業處于半導體產業鏈的下游:半導體產業可以主要分為芯片設計、晶圓制造、封裝測試三個環節,封測行業位于整個半導體產業鏈的下游,位于晶圓制造之后,在電子制造電路組裝之前。
圖,芯片制造過程所需硅片晶圓制造封測等環節流程設備
半導體封裝技術發展大致分為四個階段,芯片封裝目前處于第三階段成熟期,正向第四階段演進。全球封裝技術的主流處于第三代的成熟期,主要是 CSP、BGA 封裝技術,目前封測行業正在經歷從傳統封裝(SOT、QFN、BGA 等)向先進封裝 (FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP 等)的轉型。
傳統封裝過程如下:將晶圓切割為晶粒(Die)后,使晶粒貼合到相應的基板架的小島(Leadframe Pad)上,再利用導線將晶片的接合焊盤與基板的引腳相連(Wire Bond),實現電氣連接,最后用外殼加以保護(Mold,或Encapsulation)。
先進封裝主要是指倒裝(Flip Chip),凸塊(Bumping),晶圓級封裝(Wafer level package),2.5D封裝(interposer,RDL等),3D封裝(TSV)等封裝技術。先進封裝在誕生之初只有WLP,2.5D封裝和3D封裝幾種選擇,近年來,先進封裝的發展呈爆炸式向各個方向發展,而每個開發相關技術的公司都將自己的技術獨立命名注冊商標,如臺積電的InFO、CoWoS,日月光的FoCoS,Amkor的SLIM、SWIFT等。
先進封裝提高封裝效率,降低產品成本。隨著后摩爾定律時代的到來,傳統封裝已經不再能滿足需求。傳統封裝的封裝效率(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。
盡管封測業表現良好,然而根據中國半導體行業協會封裝分會發布的《中國半導體封裝測試產業調研報告(2020年版)》的數據,目前國內封裝測試企業在BGA、CSP、WLP/WLCSP、FCBGA/FCCSP、BUMP、MCM、FO、SiP和2.5D/3D等先進封裝產品市場的比例,約占總銷售額的35%。這與國際大廠仍有不小的差距。
2.1.2 商業模式
IDM( Integrated Device Manufacture,整合一體化制造服務)與OSAT( Outsourced Assembly & Test,外包封裝測試)是目前半導體封測行業中的兩種商業模式。IDM是自有品牌,業務范圍屬于一條龍服務,從設計、制造到封測,甚至銷售一體化完成,如Intel,Samsung都屬于這種模式。OSAT代工廠則沒有自己的品牌,只為其他半導體設計、制造等相關行業客戶提供代工封裝測試服務,像臺灣巨頭日月光、美國安靠,國內的長電科技、華天科技、通富微電等都屬于OSAT。OSAT+Foundry代工模式是半導體行業未來發展的主要商業模式,一方面受惠于輕資產的fabless設計公司的不斷增長,另一方面由IDM企業因內部產能不足而溢出的訂單驅動,OSAT企業在封測行業占比已經超過IDM模式。
集成設備制造商 (IDM) 在 2020 年第 3 季度建立了庫存,但由于 2020 年第 4 季度銷售強于預期,2020 年第 4 季度庫存水平下降,主要用于 2 億的模擬和分立技術產品。
圖 按完成階段劃分的 IDM 總庫存
圖 晶圓加工的設備開支占比