先进封装设备行业分析

先进封装设备行业分析1.先进封装大势所趋，国内渗透率有望加速提升1.1半导体封装技术持续发展，由传统到先进半导体封装定义：将生产加工后的晶圆进行切割、焊线、塑封，使电路与外部器件实现连接，并为半导体产品提供机械保护，使其免受物理、化学等环境因素损失的工艺。半导体封装技术发展历程：由传统到先进。第一阶段（20世纪70年代之前），通孔插装时代：典型的封装形式包括最初的金属圆形(TO型)封装、双列直插封装(DIP)等；第二阶段（20世纪80年代以后），表面贴装时代：从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变，从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展；第三阶段（20世纪90年代以后），面积阵列封装时代：从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展，引线技术从金属引线向微型段焊球方向发展。第四阶段（2010年之后），先进封装时代：先进封装技术成为延续摩尔定律的最佳选择，在不提高半导体芯片制程的情况下能够进一步提高集成度，显现终端产品轻薄短小等效果。1.2后摩尔时代，先进封装发展趋势确定受物理极限和成本制约，摩尔定律逐步失效。半导体制造中，工艺制程持续微缩导致晶体管密度逼近极限，同时存在短道沟效应导致的漏电、发热和功耗严重问题。工艺节点较高时，每次工艺节点的提高都会带来成本的非线性增加，在资本支出大幅提高的背景下，技术节点的变迁在逐渐变缓。封装在半导体技术中的重要性逐步提高。根据国际集成电路技术发展路线图预测，未来半导体技术的发展将集中于三个方向：（1）继续遵循摩尔定律缩小晶体管特征尺寸，以继续提升电路性能、降低功耗，即MoreMoore；（2）向多类型方向发展，拓展摩尔定律，即MoreThanMoore；（3）整合SystemonChip（SoC，系统级芯片）与SysteminPackage（SiP，系统级封装），构建高价值集成系统。在后两个发展方向中，封装技术的重要性大幅增强。先进封装提高封测环节产业价值。从产业环节价值看，传统封测技术含量相对较低，但随着先进封测技术的发展演进，更加突出芯片器件之间的集成与互联，实现更好的兼容性和更高的连接密度，先进封测已然成为超越摩尔定律方向的重要赛道，让封测厂商与设计端、制造端联系更为紧密，进一步抬升封测环节的产业价值。后摩尔时代，先进封装成为趋势。先进封装是在不要求提升芯片制程的情况下，实现芯片的高密度集成、体积的微型化，并降低成本，符合高端芯片向尺寸更小、性能更高、功耗更低演进的趋势。传统封装的功能主要在于芯片保护、电气连接，先进封装在此基础上增加了提升功能密度、缩短互联长度、进行系统重构的三项新功能。在后摩尔时代，人们开始由先前的“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装成为半导体行业发展重点。1.3国内先进封装占比低，半导体产业发展推动其渗透率加速提高半导体封测市场规模持续增长。根据YOLE数据，2021年全球集成电路封测行业市场规模为713亿美元，同比增长5.32%，2017-2021年CAGR为3.3%。2021年中国封测产业市场规模为2763亿元，同比增长10.1%。2017-2021年，中国大陆封测产业市场规模CAGR为9.9%，增速高于全球。先进封装占比持续提升。根据Yole预计，到2025年先进封装的全球市场规模约420亿美元，先进封装在全球封装的占比从2021年的45%增长到2025年的49.4%，2019-2025年全球先进封装市场的CARG约8%，高于传统封装市场和整体封装市场增速。国内先进封装渗透率低，行业发展推动渗透率加速提高。根据Frost&Sullivan数据，2020年中国大陆封装市场规模2509.5亿元，其中先进封装市场规模351.3亿元，占大陆封装市场规模的比例约14%。随着中国大陆半导体产业发展，尤其是先进制程比例的提高，先进封装渗透率有望加速提高。根据Frost&Sullivan预测，2021-2025年，中国先进封装市场规模复合增速达到29.9%，预计2025年中国先进封装市场规模为1137亿元，占中国大陆封装市场的比例将达到32.0%。2.先进封装工艺：高度集成和高度互联2.1半导体封装工艺与设备传统半导体封装流程：传统半导体封测的工艺包括晶圆背面减薄、划片、固晶、键合、塑封、打标、电镀、切近筋成型、检测。对应设备分别为磨削设备、划片机、固晶机、键合机、塑封机、激光打标机、电镀设备、切筋成型设备、测试机等。晶圆背面减薄：将从晶圆厂出来的Wafer进行背面研磨，来减薄晶圆达到封装需要的厚度。晶圆背面减薄的目的是降低封装贴装高度，减小芯片封装体积，改善芯片的热扩散效率、电气性能、机械性能及减小划片的加工量。晶圆减薄工艺：首先在正面（ActiveArea）贴胶带保护电路区域，同时研磨背面。研磨之后，去除胶带，测量厚度。其中，磨削包括粗磨、精磨和抛光三个阶段。晶圆划片：在一个晶圆上，通常有几百个至数千个芯片连在一起。它们之间留有80um至150um的间隙，此间隙被称之为划片街区（SawStreet）。划片将每一个具有独立电气性能的芯片通过切割分离出来。晶圆划片主要有刀轮切割和激光切割两种，目前刀轮切割占据主流路线。固晶：将芯片从已经切割好的晶圆上抓取下来，并安臵在基板对应的位臵上，对应设备为固晶机。固晶工艺的主要要求是固晶速度和固晶准确性，IC制造对放臵精度要求很高，而传感器、分立器件、光通信模块、功率器件和LED器件对精度要求相对较低。半导体键合：使用金属丝（金线、铜线、铝线等），利用热压或者超声能源，完成芯片与电路或引线框架之间的连接。按照工艺技术，键合分为球形焊接（ballbonding）和楔形焊接（wedgebonding）；按照焊接原理分为热压焊、超声波焊、热超声波焊。塑封：将芯片可靠地封装到一定的塑料外壳内。塑封体对原本裸露于外界的芯片、器件以及连接线路进行支撑、保护，保证了芯片使用的可靠性。激光打标、引脚电镀、切筋成型：对塑封后的芯片进行激光打标、引脚电镀、切筋成型等处理。其中切筋成型是将已完成封装的产品成型为满足设计要求的形状与尺寸，并从框架或基板上切筋、成型、分离成单个的具有设定功能的成品的过程。在芯片塑封后，其稳定性大幅增强，因此塑封之后封装设备的技术要求相对较低。2.2先进封装工艺：向高度集成和高度互联发展先进封装向高度集成和高度互联发展，主要由四要素构成：RDL（再布线）、TSV（硅通孔）、Bump（凸块），Wafer（晶圆），其中RDL起着XY平面电气延伸的作用，TSV起着Z轴电气延伸的作用，Bump起着界面互联和应力缓冲的作用，Wafer则作为集成电路的载体以及RDL和TSV的介质和载体。现阶段先进封装主要是指倒装焊(FlipChip)、晶圆级封装(WLP)、2.5D封装（Interposer）、3D封装(TSV)、ChipLET等。倒装工艺：指在芯片的I/O焊盘上直接沉积，或通过RDL布线后沉积凸块（Bump），然后将芯片翻转，进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，芯片电气面朝下。与引线键合工艺相比，倒装工艺具备多个优点：（1）I/O密度高；（2）互联长度大幅缩短，互连电阻、电感更小；（3）芯片中产生的热量可通过焊料凸点直接传输刀封装沉底，芯片散热性更好。2.5D封装与3D封装：2.5D封装：裸片并排放臵在具有硅通孔（TSV）的中介层顶部。其底座，即中介层，可提供芯片之间的互联；3D封装：又称为叠层芯片封装技术，3D封装可采用凸块或硅通孔技术（ThroughSiliconVia，TSV），TSV是利用垂直硅通孔完成芯片间互连的方法，由于连接距离更短、强度更高，能实现更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明显减小的封装，而且还能用于异种芯片之间的互连。WLP（WaferLevelPackage）：晶圆级封装，直接在晶圆上进行大部分或全部的封装测试程序，之后再进行切割制成单颗芯片。采用这种封装技术，不需要引线框架、基板等介质，芯片的封装尺寸减小，批量处理也使生产成本大幅下降。WLP可分为扇入型晶圆级封装（Fan-InWLP）和扇出型晶圆级封装（Fan-OutWLP）两大类：扇入型：直接在晶圆上进行封装，封装完成后进行切割，布线均在芯片尺寸内完成，封装大小和芯片尺寸相同；扇出型：基于晶圆重构技术，将切割后的各芯片重新布臵到人工载板上，芯片间距离视需求而定，之后再进行晶圆级封装，最后再切割，布线可在芯片内和芯片外，得到的封装面积一般大于芯片面积，但可提供的I/O数量增加。SiP：（SysteminPackag，系统级封装）：将多种功能芯片，包括处理器、存储器、FPGA等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。与系统级芯片（SystemonChip，SoC）相对应，不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式，而SoC则是高度集成的芯片产品。Chiplet：通过总线和先进封装技术实现异质集成的封装形式；chiplet的优势：（1）降低单片晶圆集成工艺良率风险，达到成本可控，有设计弹性，可实现芯片定制化；（2）Chiplet将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的小芯片，更能满足现今高效能运算处理器的需求；（3）弹性的设计方式不仅提升灵活性，且可实现包括模块组装、芯片网络、异构系统与元件集成四个方面的功能。Chiplet可实现异构集成与异质集成。（1）异构集成:将多个不同工艺节点单独制造的芯片封装到一个封装内部，可以对采用不同工艺、不同功能不同制造商制造的组件进行封装。例如将不同厂商的7nm、10nm、28nm、45nm的小芯片通过异构集成技术封装在一起；（2）异质集成:将不同材料的半导体器件集成到一个封装内，可产生尺寸小、经济性好、灵活性高、系统性能更佳的产品。如将Si、GaN、SiC、InP生产加工的芯片通过异质集成技术封装到一起，形成不同材料的半导体在同一款封装内协同工作的场景。3.先进封装推动封装设备价值增厚，自主可控为国内企业带来机遇3.1先进封装工艺推动封装设备量价齐升半导体封装设备包括磨片机、划片机、固晶机、键合机、塑封设备、打标设备等。半导体封装设备市场空间：根据SEMI数据，2022年全球半导体设备市场规模为1076亿美元，同比增长5%。2022年中国大陆半导体设备销售额为282.7亿美元，同比下降5%。根据SEMI数据，2021年全球半导体封装设备市场规模为71.7亿美元，占同期全球半导体设备市场规模的比例约为7%。先进封装发展增大封装设备需求。（1）先进封装中，芯片层数增加，芯片厚度需要更加轻薄以减小体积，因此减薄设备需求增加；（2）ChipLET中，芯片变小且数量变多，划片时需要将晶圆切割为更多小芯片，先进封装中划片机需求的数量和精度都会提升；（3）芯片变小且数量提高之后，对固晶机的需求量和精度要求都会提升。先进封装发展推动测试设备需求增长。在SIP或ChipLET中，一个塑封体中封装了多个小芯片，若其中部分芯片不良，则会导致整个大芯片整体无法正常工作。因此先进封装中，需要对小芯片进行全检，测试设备需求增加。3.2先进封装带来新设备需求3.2.1、Bump（凸块）工艺与设备凸块工艺：凸块是定向指生长于芯片表面，与芯片焊盘直接或间接相连的具有金属导电特性的突起物。根据材料，凸块可分为金凸块、铜镍金凸块、铜柱凸块、焊球凸块。凸块是芯片倒装必备工艺，是先进封装的核心技术之一。金/铜凸块工艺：（1）采用溅射或其他物理气相沉积的方式再晶圆表面沉积一层Ti/Cu等金属作为电镀的种子层；（2）在晶圆表面涂一定厚度的光刻胶，并运用光刻曝光工艺形成所需要图形；（3）对晶圆进行电镀，通过控制电镀电流大小、电镀时间等，从光刻胶开窗图形底部生长并得到一定厚度的金属层；（4）去除多余光刻胶。锡凸块工艺：与铜柱凸块流程相似，凸块结构主要由铜焊盘和锡帽构成（一般配合再钝化和RDL层），差别主要在于焊盘的高度较低，同时锡帽合金是成品锡球通过钢板印刷，在助焊剂以及氮气环境下高温熔融回流与铜焊盘形成的整体产物。锡凸块一般是铜柱凸块尺寸的3~5倍，球体较大，可焊性更强（也可以通过电镀形成锡球）。铜镍金凸块工艺：采用晶圆凸块的基本制造流程，电镀厚度超过10μm以上的铜镍金凸块。新凸块替代了芯片的部分线路结构，优化了I/O设计，大幅降低了导通电阻。3.2.2、TSV（硅通孔）工艺与设备TSV（ThroughSiliconVia）即硅通孔技术，是一种利用垂直硅通孔实现芯片互连的方法，相比于传统引线连接，具有更短的连接距离、更高的机械强度、更薄的芯片厚度、更高的封装密度，同时还可以实现异种芯片的互连。TSV的制作工艺流程：在硅片上刻蚀通孔，侧壁沉积金属粘附层、阻挡层和种子层，TSV通孔中电镀铜金属作为导体，使用化学机械抛光(CMP)将硅片减薄，最后叠层键合。TSV关键工艺与设备：1、通孔刻蚀：深反应离子刻蚀（DRIE）、激光刻蚀、湿法刻蚀；2、绝缘层、阻挡层和种子层沉积：等离子体化学气相沉积（PECVD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、物理气相沉积（PVD）；3、通孔内导电物质填充：MOCVD填充钨、LPCVD填充多晶硅、电镀填充铜；4、晶圆减薄：化学机械抛光（CMP）；5、叠层键合：氧化物键合、金属键合、粘合剂键合；3.3.3、RDL（再布线）工艺与设备RDL（ReDistributionLayer，重布线层）：是实现芯片水平方向互连的关键技术，可将芯片上原来设计的I/O焊盘位臵通过晶圆级金属布线工艺变换位臵和排列，形成新的互连结构。RDL的工艺流程：（1）形成钝化绝缘层并开口；（2）沉积粘附层和种子层；（3）光刻显影形成线路图案并电镀填充；（4）去除光刻胶并刻蚀粘附层和种子层；（5）重复上述步骤进行下一层的RDL布线。RDL需要的设备包括曝光设备、PVD设备等。3.4产业转移+下游驱动，半导体封装设备国产化持续推进半导体产业总共经历了三次产业迁移。（1）第一次是从20世纪80年代开始，由美国本土向日本迁移，成就了东芝、松下、日立、东京电子等知名品牌；（2）第二次是在20世纪90年代到21世纪初，由美国、日本向韩国以及中国台湾迁移，造就了三星、海力士、台积电、日月光等大型厂商；（3）目前，全球正经历半导体产业链的第三次转移，由中国台湾、韩国向中国大陆迁移，持续的产能转移不仅带动了中国大陆集成电路整体产业规模和技术水平的提高，为集成电路装备制造业提供了巨大的市场空间。美国对中国半导体产业的限制不断升级。2022年10月7日，美国商务部工业与安全局（BIS）公布了《对向中国出口的先进计算和半导体制造物项实施新的出口管制》，此次出口管制新规中，美国商务部以国家安全为由，对向中国出口的芯片和相关生产工具增加了限制，内容主要包括：（1）限制中国企业获取高性能芯片和先进计算机；（2）限制美国人为涉及中国的特定半导体活动提供支持；（3）限制中国获取先进半导体制造物项与设备；（4）新增31家中国实体公司、研究机构列入UVL（未经核实清单）名单等。这是自2018年以来，美国对中国半导体产业制裁的再次升级，半导体作为国家信息产业基石，自主可控迫在眉睫。半导体设备国产化率持续提升。根据SEMI（国际半导体产业协会）数据显示，中国大陆半导体设备市场在2013年之前占全球比重小于10%，2014-2017年提升至10-20%，2018年之后保持在20%以上，2020年中国大陆在全球市场占比实现26.30%，较2019年增长了3.79个百分点，2021年中国大陆在全球市场占比实现28.86%，中国大陆半导体设备市场份额保持上升趋势。封测是我国半导体产业竞争力最强的环节，下游市场的成熟为封装设备国产化奠定良好基础。与设计和晶圆制造相比，封装行业进入壁垒较低，因此在中国集成电路发展早期，众多企业选择以封测环节作为切入口，并不断加强对海内外企业并购动作，以持续扩大公司规模。目前封测已成为中国大陆半导体产业链中竞争力最强的环节，根据华经产业网数据，2021年长电科技、通富微电、华天科技三家企业占全球封测市场的20.1%。4.重点公司分析4.1、芯碁微装：直写光刻设备龙头，先进封装打开成长空间公司是直写光刻设备龙头。公司成立于2015年，以直写光刻底层技术为核心，发展PCB、泛半导体、光伏铜电镀三大领域。直写光刻是应用广泛的图形化工艺，公司技术在该领域处于领先水平，是以微纳直写光刻技术为核心的平台型企业。公司业绩快速增长，盈利能力稳定。2017-2022年，公司营业收入由0.22亿元增长至6.53亿元，CAGR约97.0%；归母净利润由-0.07亿元增长至1.37亿元。2022年公司销售毛利率和销售净利率分别为43.17%、20.94%，处于较高水平。近三年公司盈利能力趋于平稳。直写光刻在先进封装光刻领域具备优势，公司有望受益于先进封装发展。先进封装形式更为灵活，例如芯片重构后存在位臵偏移等情况，而掩膜光刻的图案难以直接改变。直写光刻采用数字化掩膜版，更加灵活，因此在先进封装领域更具优势。公司WLP2000光刻机，可用于先进封装的BUMP、RDL、WLP等工艺，有望受益于先进封装行业发展。4.2、新益昌：国产固晶机龙头，半导体固晶机快速发展公司是国内固晶机龙头。公司成立于2006年，目前公司已经成为国内LED固晶机、电容器老化测试智能制造装备领域的领先企业，同时凭借深厚的研发实力和持续的技术创新能力，成功进入了半导体固晶机和MiniLED固晶机市场。此外，公司部分智能制造装备产品核心零部件如驱动器、高精度读数头及直线电机、音圈电机等已经实现自研自产，是国内少有的具备核心零部件自主研发与生产能力的智能制造装备企业。公司业绩持续增长。2017-2022年，收入由5.05亿元增长至11.84亿元，CAGR约18.6%；归母净利润由0.52亿元增长至2.05亿元，CAGR约31.6%。2019-2022年，近三年收入CAGR21.8%，归母CAGR32.3%。2022年，公司销售毛利率和销售净利率分别为43.64%、17.18%。2017-2022年，公司毛利率由25.23%提升至43.64%，盈利能力逐步提升。半导体固晶机市场规模大，进口依赖度较高。根据Yoledevelopment，预计2024年全球半导体固晶机市场规模为10.83亿美元。国内企业主要向ASMPT和BESI采购半导体固晶机，进口依赖度较高。公司半导体固晶机快速发展，行业认可度高。公司在半导体设备领域已具有较强的市场竞争力及较高的品牌知名度，封测业务涵盖MEMS、模拟、数模混合、分立器件等领域，客户包括晶导微、灿瑞科技、扬杰科技、通富微、固锝电子、华天科技等知名公司。公司半导体固晶设备近年来客户导入顺利，受到业内认可，业务收入得到快速增长。4.3、光力科技：国内半导体划片机设备龙头公司已成为半导体封测设备以及关键零部件领域龙头企业。2016年以来公司通过持续收购LP、LPB、ADT等公司迅速进入了半导体划片机及核心零部件空气主轴领域，根据公司2022年4月12日发布的投资者调研纪要，公司的半导体划片设备最关键的精密控制系统可以对步进电机实现低至0.1微米的控制精度，处于业内领先水平。公司有望充分受益于行业国产替代。2015-2022年，收入由1.20亿元增长至6.15亿元；归母净利润由0.24亿元增长至0.65亿元。2019-2022年，近三年收入CAGR27.47%，归母CAGR5.23%。2022年，公司销售毛利率和销售净利率分别为53.29%、10.99%，毛利率保持稳定，净利率因研发费用率提高、投资净收益下降等原因同比下滑。公司半导体划片机竞争力强。公司是全球排名前三的半导体切割划片装备企业，并同时拥有切割划片量产设备、核心零部件——空气主轴和刀片等耗材的企业，可以为客户提供个性化的划切整体解决方案。公司高端切割划片设备与耗材可以用于先进封装中的切割工艺。公司与日月光、嘉盛半导体、长电科技、通富微电、华天科技等国内外封测头部企业建立了稳定的合作关系。4.7、快克智能：电子装联设备龙头，布局半导体封测打开成长空间电子装联设备龙头，布局半导体封测设备。公司布局电子装联精密焊接设备多年，2022年荣获国家工信部电子装联精密焊接设备“制造业单项冠军”。公司立足于国家半导体设备国产化战略方向，通过自主研发、产学研合作、成立海外研发机构、并购扩张、产业基金合作等方式，多措并举打造国产化功率半导体封装核心设备，主要产品包括IGBT固晶机、甲酸焊接炉、纳米银烧结设备等。业绩稳健增长，盈利能力强。2017-2022年，公司营业收入由3.62亿元增长至9.01亿元，CAGR约20.0%；归母净利润由1.32亿元增长至2.73亿元，CAGR约15.6%。公司为电子装联设备细分赛道隐形冠军，竞争力强，盈利能力突出，2022年公司销售毛利率和销售净利率分别为51.92%、30.47%。4.4、劲拓股份：电子热工设备领先，半导体设备取得突破公司在电子热工领域处于领先地位，被行业协会授予“SMT领域龙头企业”，回流焊设备获国家工信部“制造业单项冠军产品”认证。公司自主研发的检测设备和自动化设备实现对电子热工设备的辅助和功能扩展，丰富了公司产品的应用场景，与电子热工设备配合为客户提供覆盖电子产品PCB生产过程中插件、焊接和检测的整套系统解决方案。公司半导体专用设备已实现突破。公司研制生产了半导体芯片封装炉、WaferBumping焊接设备、真空甲酸焊接设备、甩胶机、氮气烤箱、无尘压力烤箱等多款半导体热工设备、半导体硅片制造设备，并具备为客户提供不同制造工艺设备的定制能力。公司半导体专用设备产品已累计交付服务客户超过20家，获得客户的认可、验收及