2024年机械行业春季策略报告：AI拉动算力需求，先进封装乘势而起

摩尔定律实现受阻，先进封装之风兴起

摩尔定律经济效益遇到瓶颈，芯片制造进入后摩尔时代。摩尔定律指的是随着技术的升级，芯片承载的晶体管数量每隔18-24个月便会成倍增加，同时性能增加一倍或成本减少一半。随着芯片技术的演进，研发周期拉长，制程工艺选代需花费更长时间。由于微观层面物理极限的限制，单位晶体管成本下降的速度不断放缓。根据IBS的统计和预测数据显示，芯片制程从16nm到10nm，每10亿颗晶体管成本减少了23.5%，但是从5nm到3nm成本仅减少了4%。若芯片制程微缩至近1nm，就将进入量子物理领域，产生短道沟效应和散热等亟待解决的问题，使摩尔定律逐渐失效。

后摩尔时代，先进封装成为提升芯片性能的重要发展方向。集成电路性能提升主要向两个技术方向发展，一个是延伸摩尔定律(More Moore)，使芯片进一步小型化，缩小晶体管特征尺寸来增加芯片上的品体管数量，进而提升芯片性能，但正如前文所述制程微缩带来的经济能效持续下降。另一个是超越摩尔定律(More Than Moore)，采用先进封装技术，将不同功能的芯片集成在一个系统内，实现功能的整合和性能的升级。

先进封装本质是提升1/0密度，核心衡量指标为凸块间距与凸块密度。封装主要起到保护和电路连接的作用，分为传统封装和先进封装。传统封装的电路连接主要依赖引线框架，先进封装的电路连接则主要通过凸块(bump)完成。先进封装内涵丰富，但本质为提升V0密度，进而提升芯片性能。衡量V0密度最核心的指标为凸块间距(BumpPitch)和凸块密度(Bump Density)。根据IDTechEx定义，只有凸块间距小于100ym的封装才属于先进封装，本文将延用这一定义。先进封装，更确切来说可以被称为异构集成，整个体系包含倒装焊(Flip Chip)、晶圆级封装(WLP)、扇入扇出、2.5D封装(interposer)、3D封装(TSV)、混合键合、Chiplet等一系列技术与理念。在台积电的发展路线中，倒装>2.5D/3D>SoIC等技术路线的凸块间距不断缩小，凸块密度持续提升。

先进封装内涵丰富，Bump、RDL、Wafer、TSV四要素组合形成不同工艺。先进封装内涵丰富，相对传统封装，新增的底层工艺包括Bump(凸块)，RDL(再布线层)，Wafer(晶圆)，TSV(硅通孔)四要素。Bump用来取代传统封装中的引线键合，主要起界面电气互联和应力缓冲的作用，当前先进封装无一例外均使用了Bump工艺。RDL起着XY平面电气延伸的作用，Interposer(中介层，以硅为主)也发挥相似作用，主要应用于晶圆级封装和2.5D/3D封装等技术。Wafer作为集成电路的载体以及RDL和TSV的介质和载体，在2.5D封装中用于制作硅基板、在WLP晶圆级封装中用于承载晶圆。TSV起着Z轴电气延伸的作用，是2.5D/3D封装技术实现的主要途径。从技术推出时间前后及先进性程度来看，排序为Bump、RDL、Wafer、TSV。

封装市场持续扩张，先进封装成新增长点

封装是为了保护芯片以及确保电路性能，新兴应用发展为封装注入新动力。封装产业链上游为封装材料和封装设备。封装材料主要有封装基板、键合丝、芯片粘结材料、引线框架和切割材料等，相关主要企业有康强电子、兴森科技、岱勒新材和三环集团等。封装设备主要为减薄机、划片机、引线键合机和塑封机等，目前封装设备厂商主要有海外的ASM Pacifc、K&S、Disco和国内的新益昌等企业。中游为集成电路封测，目前集成电路封测是中国大陆发展最完善的板块，技术能力与国际先进水平比较接近。三星、AMD和英特尔为IDM厂商，台积电、日月光、安靠和长电科技等为OSTA厂商。下游终端应用广泛，涵盖电子制造、通信设备、航空航天和军事等众多领域。近年来，随着物联网、人工智能、云计算、大数据、5G、机器人等新兴应用领域的蓬勃发展，各类封装产品的使用场景和用量不断增长，为封装产业注入了新的增长动力。

全球封测产业持续向好，封测产业已成为我国半导体的强势产业。随着物联网、5G通信、人工智能、大数据等新技术的不断成熟，全球集成电路行业进入新一轮的上升周期，全球封测市场规模稳步上升，根据Yle和集微咨询统计，2022年全球封测市场规模达到815亿美元，未来仍然保持稳步上升趋势，预计2026年达到961亿美元规模。同时，随着近年来我国半导体产业的快速发展，为我国封装测试行业的发展提供了强劲动力。预计2023年中国封测市场规模达到2807亿元，未来保持上涨趋势，预计2026年市场规模增长至3248.4亿元。

传统封装基本由OSTA厂家完成，先进封装Fab厂商深度参与。传统封装IDM厂商较少涉足，大部分进行外包。先进封装因引入bump、TSV、RDL、混合键合等工艺，需要光刻、刻蚀、薄膜沉积、CMP等前道工艺完成，故Fab厂商开始介入封装领域。此外，Fab厂商与芯片设计厂家的联系也更加紧密。当前台积电(Fab)、英特尔(IDM)、AMD(芯片设计)、三星(IDM)等开始主导先进封装产业的发展。台积电是先进封装架构提出的先驱与主力，AMD为Chiplet先驱，传统封测厂与IDM厂商均有参与先进封装构架提出。先进封装芯片设计研发厂商中，逻辑芯片厂商主要为英伟达、AMD和高通等。存储芯片厂商主要为海力士、三星和美光。先进封装芯片代工厂商主要为Fab厂商台积电、海力士、美光，OSTA厂商日月光、安靠、长电先进以及IDM厂商inte!和三星。如传统封装广泛应用于各大电子领域一般。先进封装应用也广泛。不过考虑到先进封装的成本，先进封装主要应用在HPC、手机、汽车等对技术要求更高的领域。

先进封装应用广泛，AI发展带动需求高增

先进封装应用领域广泛，需求增长迅速。先进封装相较于传统封装技术能更好地提升芯片性能和生产效率，其应用场景不断扩展。目前各种不同类型先进封装技术已广泛应用于人工智能(A)、高性能运算(HPC)、5G、ARNR等领域，占整体封测市场的比重也在不断提升。

HPC、高端手机、高阶自动驾驶有望成为先进封装主要增长驱动。芯片下游应用广泛，先进封装由于其技术先进性与高昂的成本，目前优先应用于对性能要求高或对价格不敏感的高端领域。台积电是半导体芯片代工龙头，芯片制程行业领先，此外也是推动先进封装的先驱。台积电当前收入结构的拆分一定程度上可以表征先进封装的主要应用下游。2023年，台积电营收拆分来看以HPC(占比43%)、Smart Phone(占比38%)、10T(占比8%)、Automotive(占比6%)贡献为主。HPC受大模型训练的驱动，对于HBN等应用先进封装的存储需求快速攀升。高端手机(如苹果)以及正在陆续面世的A手机对于使用先进封装的高阶芯片的需求量亦持续水涨船高。自动驾驶未来将向L4、L5等高阶方向发展，对于算力的需求会持续提升，有望为先进封装提供新增量。综合来看HPC。AI手机、高阶自动驾驶对芯片性能要求较高，未来将成为先进封装主要的需求驱动。

封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力

传统封装涉及减薄、划片、固晶、键合、塑封等在内的多道工序。封装过程始于晶圆制造。在晶圆制造完成后，通过减薄和划片工艺，将晶园切割为小的晶片。小晶片被贴装到引线框架基板上后，用极细的金属丝导线或导电性树脂将晶片焊接焊盘连接到基板的相应引脚，形成所需的电路。然后使用塑料外壳对独立的晶片进行封装保护。在完成封装后，还需要进行入检、测试和包装等工序，最后将成品入库出货。

1)减薄机:使用研磨液等材料，通过抛磨，把晶圆厚度减薄。目前使用的减薄设备包括金刚石砂轮和激光减薄机两类，以金刚石砂轮机为主。当前减薄机国外主要厂商主要有日本DISCO、日本OKAMOTO、以色列Camtek等:国内主要厂商有中电科45所、华清海科、宇环数控宇晶股份等众多企业。

2)划片机:把晶圆切割成一粒粒的芯片(Die)，主要分为金刚石砂轮切割与激光切割两类。国外主要厂商有日本DISCO、东京精密、Kulicke& Sofa(美国)、ASMPT等:国内金刚石切割机厂商主要有中电科45所、光力科技(子公司ADT)，激光切割机厂商主要有大族激光、德龙激光等。

3)固晶机:通过加热和压力的作用，将芯片牢固地固定在封装基板或载板上。国外主要厂商有ASMPT、荷兰Bes等;国内主要厂商有新益昌、快克智能、华封科技、台湾梭特、凯格精机等。

4)键合机:把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad用导电金属线链接起来。国外主要厂商有美国ASM、荷兰Bes等:国内主要厂商有中电科45所、大族封测、奥特维等。

5)塑封机:通过树脂包封使半导体与外部电绝缘的塑封工艺将流动性树脂从浇口注入半导体芯片周围，并使其固化从而起到保护芯片的作用。国外主要厂商有TOWA、ASM、Besi;国内主要厂商有耐科装备、文一科技等。

6)切筋机:在晶圆制造完成后，需要使用半导体切筋成型设备将晶圆分割开来，以得到单独的芯片。国外主要厂商有FICO、Besi、NDCInternational、Samiltech;国内主要厂商有耐科装备、广东台进半导体、深圳杰诺特等。

7)电镀设备:通常用于在芯片表面或器件连接部件上进行电镀，以增强连接部件的导电性、耐腐蚀性或焊接性能。电镀设备国外的主要厂商有Besi、美国应材、美国LAM、ASM等;国内厂商主要有盛美上海等。

封装设备市场规模稳步扩大但伴随半导体行业周期性波动。半导体行业短期承压，但长期来看，随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，半导体行业将保持活力，为半导体设备行业提供更多机遇。从全球来看，封装设备厚积薄发，行业周期性明显，2021年全球封装设备大幅提升，预计2023年全球封装设备达到77亿美元。

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