【先進封裝】封裝材料的一體化剖析
一. 封裝的劃分和類別。
電子封裝技術與器件的硬件結(jié)構(gòu)有關。這些硬件結(jié)構(gòu)包括有源元件(如半導體)和無源元件(如電阻器和電容器)。因此,電子封裝技術涵蓋的范圍較廣,根據(jù)裝載順序,可分為0級封裝到3級封裝等四個不同等級。
下圖展示了半導體封裝工藝的整個流程:
首先是0級封裝(裸芯片),負責將晶圓切割出來;裸芯片電極的制作、引線的連接等均在硅片之上完成,暫與基板無關。
其次是1級封裝(芯片集成塊),經(jīng)0級封裝的單芯片或多芯片在封裝基板(普通基板、多層基板、HDI基板,通常為子級)上的封裝,構(gòu)成集成電路模塊(或元件)本質(zhì)上是芯片級封裝。
接著是2級封裝(板或卡),集成電路(IC元件或IC塊)片在封裝基板(通常為PCB母板)上的封裝,構(gòu)成板或卡(Ps. 這里的PCB母板和封裝基板是有區(qū)別的參考上面HBM2.5D封裝的標準圖)。
最后是3級封裝(整機/系統(tǒng)),將附帶芯片和模塊的電路卡安裝到系統(tǒng)板上,即封裝組建插載到同一塊母板之上。
此外,還可根據(jù)封裝材料/外形/尺寸/氣密性等對于封裝進行劃分。
還可以根據(jù)封裝材料/氣密性/尺寸/大小對封裝方式進行劃分。
以封裝技藝作為劃分,將封裝劃分為傳統(tǒng)封裝和先進封裝兩種。
其中先進封裝,作為提高連接密度、提高系統(tǒng)集成度與小型化的重要方法,主要包括先進封裝是指前沿的倒裝芯片封裝(FC,Flip chip)、晶圓級封裝(WLP,Wafer level packaging)、系統(tǒng)級封裝(SiP,System In a Package)和2.5D、3D封裝等。
摩爾定律逐漸放緩,后摩爾時代到來,先進封裝因能同時提高產(chǎn)品功能和降低成本是后摩爾時代的主流發(fā)展方向。簡言之,其相對于傳統(tǒng)封裝的顯著優(yōu)勢是更高的集成度和小型化。
Tips:半導體封裝技術的發(fā)展歷史可劃分為三個階段。
第一階段(20世紀70年代之前)
以通孔插裝型封裝為主;典型的封裝形式包括最初的金屬圓形(TO型)封裝,以及后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷-玻璃雙列直插封裝(Cer DIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)等;其中的PDIP,由于其性能優(yōu)良、成本低廉,同時又適于大批量生產(chǎn)而成為這一階段的主流產(chǎn)品。
第二階段(20世紀80年代以后)
從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉(zhuǎn)變,從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發(fā)展。表面貼裝技術被稱為電子封裝領域的一場革命,得到迅猛發(fā)展。與之相適應,一些適應表面貼裝技術的封裝形式,如塑料有引線片式裁體(PLCC)、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP)、塑料小外形封裝(PSOP)以及無引線四邊扁平封裝(PQFN)等封裝形式應運而生,迅速發(fā)展。其中的PQFP,由于密度高、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝,成為這一時期的主導產(chǎn)品。
第三階段(20世紀90年代以后)
半導體發(fā)展進入超大規(guī)模半導體時代,特征尺寸達到0.18-0.25μm,要求半導體封裝向更高密度和更高速度方向發(fā)展。因此,半導體封裝的引線方式從平面四邊引線型向平面球柵陣列型封裝發(fā)展,引線技術從金屬引線向微型焊球方向發(fā)展。
在此背景下,焊球陣裝(BGA)獲得迅猛發(fā)展,并成為主流產(chǎn)品。BGA按封裝基板不同可分為塑料焊球陣列封裝(PBGA),陶瓷焊球陣列封裝(CBGA),載帶焊球陣列封裝(TBGA),帶散熱器焊球陣列封裝(EBGA),以及倒裝芯片焊球陣列封裝(FC-BGA)等。
為適應手機、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品小、輕、薄、低成本等需求,在BGA的基礎上又發(fā)展了芯片級封裝(CSP);CSP又包括引線框架型CSP、柔性插入板CSP、剛性插入板CSP、園片級CSP等各種形式,目前處于快速發(fā)展階段。
同時,多芯片組件(MCM)和系統(tǒng)封裝(SiP)也在蓬勃發(fā)展,這可能孕育著電子封裝的下一場革命性變革。MCM按照基板材料的不同分為多層陶瓷基板MCM(MCM-C)、多層薄膜基板MCM(MCM-D)、多層印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜混合基板MCM(MCM-C/D)等多種形式。SiP是為整機系統(tǒng)小型化的需要,提高半導體功能和密度而發(fā)展起來的。SiP使用成熟的組裝和互連技術,把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感等集成到一個封裝體內(nèi),實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。
目前,半導體封裝處于第三階段的成熟期與快速增長期,以BGA/CSP等主要封裝形式開始進入規(guī)?;a(chǎn)階段。同時,以SiP和MCM為主要發(fā)展方向的第四次技術變革處于孕育階段。
二. 封裝材料。
根據(jù)封裝材料大體上將封裝分為:氣密性封裝(金屬/陶瓷/玻璃)和樹脂封裝(塑料)兩大類。
封接和封裝的目的是與外部溫度、濕度、氣氛等環(huán)境隔絕,除了起保護和電氣絕緣作用外,同時還起向外散熱及應力緩和作用。一般來說,氣密性封裝可靠性高,但價格也高。目前由于封裝技術及材料的改進,樹脂封裝已占絕對優(yōu)勢,但在有些特殊領域(軍工、航空、航天、航海等),氣密性封裝是必不可少的。
目前樹脂封裝已占世界集成電路封裝市場的98%,97%以上的半導體器件的封裝都采用樹脂封裝,在消費類電路和器件領域基本上是樹脂封裝一統(tǒng)天下,而90%以上的塑封料是環(huán)氧樹脂塑封料和環(huán)氧液體灌封料。
這里考慮到封裝材料的多樣性,我們將一些概念單獨拿出來講:
封裝基板:Substrate(簡稱SUB)?;蹇蔀樾酒峁╇娺B接、保護、支撐、散熱、組裝等功效,以實現(xiàn)多引腳化,縮小封裝產(chǎn)品體積、改善電性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化的目的。
大致可以分為有機類和無機類,目前基板方面的發(fā)展方向在于ABF基板和玻璃基板。
ABF基板(Ajinomoto Build-up Film):故事要從一家原本做味精的企業(yè)味之素說起,在味之素開始探索調(diào)味品副產(chǎn)品的過程中,利用氨基酸技術開發(fā)一種薄膜型絕緣體,具有優(yōu)異的材料特性。
ABF易于使用,可實現(xiàn)高密度間距(從而實現(xiàn)高密度金屬布線),具有足以滿足現(xiàn)代芯片的絕緣性能、高剛性、高耐用性和低熱膨脹等因素。
英特爾和AMD等廠商的大力投入,可以看做ABF的風向標。
以英特爾為例,在去年,因為ABF的短缺,給英特爾造成了困擾。為此,英特爾宣布其越南組裝和測試(VNAT) 工廠現(xiàn)在將在內(nèi)部將電容器連接到 ABF 基板的兩側(cè)。
據(jù)數(shù)據(jù),2021年全球ABF基板市場銷售額達到了43.68億美元,預計2028年將達到65.29億美元,年復合增長率(CAGR)為5.56%(2022-2028)。
玻璃基板(Ajinomoto Build-up Film):
日本Dai Nippon Printing (DNP) 展示了半導體封裝的一項新開發(fā)成果——玻璃芯載板 (GCS:Glass Core Substrate)——據(jù)說它可以解決ABF帶來的許多問題。
根據(jù) Dai Nippon 的說法,使用玻璃芯載板 (GCS) 可以實現(xiàn)更精細的間距,因此可以實現(xiàn)極其密集的布線,因為它更硬并且不易因高溫而膨脹。
晶圓級封裝材料—晶圓級UV膜:20年全球市場空間約為28億元,23年約為 38億元,25年在45億元以上。
封裝用電鍍液:22年約在50億元左右,到25年的80億元,市場主要增長動力包括下一代邏輯器件中互連層的增加、先進封裝中對RDL和銅柱結(jié)構(gòu)的使用等,目前國內(nèi)從事集成電路用電鍍液及配套試劑研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)較少,主要有上海新陽和江蘇艾森等,上海新陽和江蘇艾森在國內(nèi)集成電路封裝市場(包括傳統(tǒng)封裝及先進封裝)的市占率已超過50%,主要產(chǎn)品集中在傳統(tǒng)封裝領域
通用型封裝材料——陶瓷封裝材料、鍵合絲、包裹材料、芯片粘結(jié)材料等其他,長期被國外壟斷,國產(chǎn)替代份額不足10%。
三. 對應標的。
實際上,A股有關封測材料的標的十分稀缺。
華正新材:ABF基板關鍵材料的ABF膜,與深圳先進電子材料研究院聯(lián)合,預計25年放量,預期營收匹配市場約20億,凈利潤3億以上。
興森科技:ABF(FC-BGA)載板布局初期,公司珠海ABF載板項目(產(chǎn)能200萬顆/6000平每月)已于2022年12月建成試產(chǎn),預計23Q2開啟客戶認證,23Q3小批量交付,當前仍在良率提升階段。廣州ABF項目(兩期產(chǎn)能2000萬顆/2萬平每月)一期已于2022年9月封頂(投資約60億元),預計23Q4完成產(chǎn)線建設開始試產(chǎn)。
按照50美金(350元)左右的平均價格估計,預計完全放量后可以貢獻77億左右的營收。
深南電子:公司現(xiàn)已具備FC-BGA封裝基板中階產(chǎn)品樣品制造能力,目前相關產(chǎn)品尚處于客戶驗證階段。高階產(chǎn)品技術研發(fā)按期順利推進。公司廣州封裝基板項目規(guī)劃產(chǎn)品包括FC-BGA封裝基板產(chǎn)品,項目預計于2023年第四季度連線投產(chǎn)。
沃格光電:國內(nèi)稀缺的玻璃基板產(chǎn)能,TGV玻璃封裝載板獲大廠訂單,用于3Dchiplet封裝。主業(yè) LED用基板,GCB(玻璃基板路線)也是下一代面板用PCB的發(fā)展發(fā)現(xiàn)。券商預期25年凈利潤2.9億,對應現(xiàn)價不足20pe。
上海新陽:國內(nèi)的半導體電鍍液龍頭,相關產(chǎn)品廣泛用于先進封測,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在先進封測方向持續(xù)放大,國產(chǎn)替代空間巨大。
德邦科技:國產(chǎn)封裝復合材料龍頭,相關材料廣泛應用于先進封測,是國內(nèi)少數(shù)可以量產(chǎn)晶圓UV膜,LID框粘結(jié)材料、板級封裝用導熱墊片等封裝材料的企業(yè),并有包括DAF膜在內(nèi)的多款先進封測材料在驗證,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要面向智能終端,主要客戶包括立訊精密、歌爾股份、小米科技等知名消費電子廠商。券商預測25年,3.22億凈利潤。
華海誠科:半導體環(huán)氧塑封材料龍頭(EMC),相關GMC材料可用于HBM芯片,布局電子膠粘劑業(yè)務,券商預期25年歸母1.2億左右。
聯(lián)瑞新材:FC-BGA用UF球形硅粉末量產(chǎn),用于存儲芯片封裝的Low alpha微米級球形硅微粉和亞微米級球形硅微粉等高端芯片封裝材料,預期25年凈利潤4.3億元,對應現(xiàn)價不足20pe。15000噸高端芯片用球形粉體產(chǎn)線已于去年4季度順利調(diào)試,產(chǎn)能正在爬坡。
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