封装技术发展及材料需求如何?

最佳答案 匿名用户编辑于2024/07/18 15:19

下游应用发展迅速,封装行业前景广阔。

封装是集成电路三大重要环节之一。集成电路产业链主要有 IC 设计、晶圆制造 (也称前道工艺)、封装测试(也称后道工艺)三大核心环节。其中,IC 封装是 对制成晶圆进行切割、划片、装片、焊线、键合、封装、电镀、成型等一系列工 序,将芯片封装在基板引线框架上并增加防护层。封装主要起到安放、固定、密 封、保护芯片,以及确保电路性能和散热性能等作用,随着芯片技术的发展,封 装也发挥着功能集成和系统测试的作用。

电子封装技术涵盖范围较广,可分为 0 级封装到 3 级封装四个不同等级。在整个 半导体封装工艺流程中,首先是 0 级封装,指晶圆切割出来的过程;其次是 1 级 封装,本质上是芯片级封装;接着是 2 级封装,指将芯片安装到模块或电路卡上; 最后是 3 级封装,指附带芯片和模块的电路卡安装到系统板上。在半导体行业, 半导体封装一般仅涉及晶圆切割和芯片级封装工艺。

在性能和成本控制的驱动下,经过多次演进迭代,封装技术从最初的键合式传统 封装向目前先进的多维高度集成封装发展。传统封装是将晶圆切割为晶粒后,把 晶粒贴合到相应的基板上,再利用导线将晶粒的接合焊盘与基板的引脚相连,实 现电气连接,最后用外壳加以保护,典型的传统封装方式包括最初的直插型封装 DIP、小外形封装 SOP、方型扁平式封装 QFP、球栅阵列封装 WBBGA 等。先进封装 提升了芯片的集成度和互联速度,以“小型化、轻薄化、窄间距、高集成度”为 主要特征,先进封装方式包括倒装 FLIP-CHIP、晶圆级封装 WLCSP、扇出型封装 INFO 以及 2.5D/3D 等。目前传统封装和先进封装两种技术之间不存在明确的替代 关系,根据产品工艺复杂程度、封装形式、封装技术、封装产品所用材料是否处 于行业前沿,传统封装具有性价比高、产品通用性强、使用成本低、应用领域广 等优点,而先进封装在当前摩尔定律发展受阻的背景下能够同时提高产品功能和 降低成本,是封测行业未来的发展方向。

随着汽车电子、人工智能、数据中心等应用领域的快速发展,带动全球封测市场 持续上行,2022 年全球封装测试市场规模为 815 亿美元左右,预计到 2026 年将 达到 961 亿美元。细分领域中,传统封装主要用于汽车、消费电子、工业应用等 领域,相关领域的模拟芯片、功率器件、分立器件、MCU 等核心芯片对于小型化 和高度集成化的要求较低,对可靠性和稳定性的要求较高,且在未来较长时间内 仍延续这一趋势,因此传统封装市场预计保持稳定增长,据 Yole 统计,2022 年 全球传统封装市场规模约为 430 亿美元,预计 2021-2026 年 CAGR 为 2.3%。先进 封装主要应用于高端消费电子、人工智能、数据中心等快速发展的应用领域,其 成长性优于传统封装,预计先进封装封测市场占比将持续提高,2021-2026 年全 球先进封装市场规模将从 350 亿美元上升至 482 亿美元,CAGR 接近 7%,有望为 全球封测市场贡献主要增量。

全球半导体产业链向国内转移,我国封测市场规模有望持续向上。2022 年我国封 测产业规模小幅增长,达到 2995 亿元,随着需求端 5G、HPC、汽车电子等新兴应 用的蓬勃发展,有望为封测行业持续成长注入动力,预计 2026 年中国封测市场 规模将达到 3248.4 亿元。此外,随着 5G、高端消费电子、人工智能等新应用发 展以及现有产品向 SiP、WLP 等先进封装技术转换,先进封装市场呈现较高速度 的增长;同时,国内封测企业主要投资集中在先进封装领域,有望带动产值快速 提升,预计 2023 年我国先进封装产值将达到 1330 亿元,约占总封装市场的 39%。

封装材料是封测环节的上游支撑,其使用贯穿于封测流程始终,可分为原材料和 辅助材料。其中,原材料是封装的组成部分,对产品质量和可靠性有着直接影响; 而辅助材料则不属于产品的构成部分,仅在封装过程中使用,使用后会被移除。 在传统封装工艺中,作为原材料使用的有机复合材料包括粘合剂、基板、环氧树 脂模塑料、引线框架、引线和锡球六种,后三种为金属材料;辅助材料包括胶带 和助焊剂等。具体来看:

(1)引线框架用于实现封装内部芯片与封装外部印刷电路板(PCB)的电气连接, 使用的金属板通常由铁基合金 42 号合金或铜合金制成。 (2)基板主要起到承载保护芯片与连接上层芯片和下层电路板的作用,包括制 作基础半导体器件所使用的铜、玻璃纤维等材料。 (3)粘合剂主要由热固性环氧基聚合物制成,用于将芯片粘接到引线框架或基 板上,还可以在芯片堆叠过程中将多个芯片粘接在一起。 (4)环氧树脂模塑料是半导体封装过程中使用的一种胶囊封装材料,由无机硅 石和热固性环氧聚合物复合而成,主要起到保护芯片免受外部物理和化学损伤, 且能够有效散发芯片运行时产生热量的功能。 (5)在半导体封装中,焊锡被用于连接封装和印刷电路板;在倒片封装中,焊锡 被用于连接芯片和基板。 (6)引线用于连接芯片与基板、芯片与引线框架、或芯片与芯片,通常由高纯度 金制成。但由于制造成本相对较高,目前,铜丝正在逐渐替代金丝。 (7)胶带包括将固体表面与同质或异质表面进行永久粘合的胶带,以及切割胶 带(确保在晶圆切割过程中晶圆上的芯片不会脱落)和背面研磨保护胶带(在背 面研磨过程中保护晶圆上的器件)等临时粘合胶带。

全球半导体封装材料产品结构多样,随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展, 半导体封装材料的产品结构亦不断发生变化。目前全球封装材料诸多细分产品中, 封装基板规模占比最高,2021 年规模占比约为 40.1%,其次为键合丝、引线框架、 包装材料、陶瓷基板、芯片粘结材料等,规模占比分别为 15%、14.9%、12.9%、 11.1%及 4%。

随着新技术的不断发展和应用领域的不断推动,对封装材料产生了更先进、更多 样化的需求,牵引半导体封装材料市场规模不断扩容。全球来看,据国际半导体 产业协会,2022 年全球半导体封装材料市场实现 261 亿美元,受新型电子创新需 求增加的推动,预计到 2027 年,全球半导体封装材料市场将达到 298 亿美元, 复合年增长率为 2.7%。我国来看,随着半导体产业的快速发展,我国已经成为全 球最大的半导体封装材料市场之一,市场需求持续增长,据华经产业研究院,2022 年我国半导体封装材料行业市场规模达 463 亿元,预计我国半导体封装材料行业 将继续保持快速发展势头,以满足不断变化的市场需求。

竞争格局方面,大型跨国公司占据优势地位,国内未来有望实现自给。半导体封 装材料行业的技术水平要求较高,需要不断进行技术研发和创新。大型跨国公司 具有较强的技术实力和研发能力,能够持续推出新产品和新技术,保持领先地位。 目前全球半导体封装材料市场主要被日韩等大型跨国公司所占据;部分中国大陆 厂商近几年亦跻身前列,成功占据一定市场份额。整体来看,目前半导体封装材 料自给程度相对较高,未来有望实现国内自给。