机械行业2024年春季策略报告：AI拉动算力需求先进封装乘势而起

证券研究报告A拉动算力求，先进封装乘势而起 2024年春季策%报告2024104/15/行业评级：增持名(研究助)xuqiaowei023970@部信liqiwen027858@电书编号S0880521020003证书编号S0880123020064AI投资建议的存量板块和先进封装拉动的增量板块。1)存量:推荐标的为华海清要点:芯片依靠制程微缩带动单位性能成本的快速下降带动半导体产业蓬勃大发展芯片制程步入3nm及以下制程摩尔定律降本效应大幅收敛要点:为提升I/O密度Bump(凸块)、RDL(再布线)、WLP(晶圆级封装)、TSV(硅通孔)及混合键合等新技术相继引入封装领域新技术的要点:宏观经济和半导体行业周期波动、先进封装渗透不及预期、国产设备替代进度不及预期、行业竞争加剧。请参阅附注免责声明1AI重点公司盈利预测表公司代码公司名称工序环节PE评级2024/4/112023E2024E2025E2023E2024E2025E688120.SH华海清科263.6165.84.576.348.1236.2826.1520.42增持002903.SZ002943.SZ宇环数控宇晶股份减薄30.838.119.724.30.260.720.491.530.642.0575.7733.7540.215.8830.7811.85--300480.SZ光力科技56.740.4580.547.3535.78-002008.SZ大族激光切片193.818.40.881.311.6820.9114.0510.95-688170.SH德龙激光26.725.80.380.530.9167.8948.6828.35-603203.SH快克智能49.119.60.771.121.4825.4517.513.24增持688383.SH新益昌64.262.80.592.593.37106.4424.2518.64301338.SZ凯格精机29.7282.573.32-10.898.43--688516.SH奥特维键合248.2110.75.598.2110.7719.813.4810.28-600520.SH688419.SH文一科技耐科装备塑封/切筋29.420.218.651.291.282.041.5888.5737.8514.4219.229.1215.57--688082.SH盛美上海电镀、清洗35280.82.092.623.3538.6630.8424.12-300604.SZ长川科技183.629.30.080.881.36366.2533.321.54-688200.SH华峰测控测试分选1.842.653.3855.8238.7530.38-603061.SH金海通43.2721.672.733.4643.1126.3720.81-688630.SH芯碁微装光刻78.559.71.382.193.0443.2627.2619.64-688037.SH芯源微涂胶显影、清洗134.644.1246.5233.2323.71-002371.SZ北方华创刻蚀、薄膜沉积1544.62813.0940.429.1922.25-688012.SH中微公司刻蚀、量检测886.61432.883.294.2249.6543.4733.89-688072.SH688147.SH拓荆科技微导纳米薄膜沉积328.8148.9174.732.83.020.554.421.176.051.6757.8559.6439.5228.0328.8819.64--603690.SH至纯科技清洗98.325.41.031.311.7424.6619.3914.6-688361.SH中科飞测-U170.853.40.440.681.02121.3678.5352.35增持300567.SZ精测电子量检测166.960554.0538.71增持603283.SH赛腾股份135.614.3521.5617.7715.56-数据来源：Wind，国泰君安证券研究注：华海清科、快克智能、中科飞测、精测电子EPS来自国泰君安证券研究，其余公司EPS均来自Wind一致预期。其中2023年EPS请参阅附注免责声明2目录ICONTENTS06风险提示请参阅附注免责声明3 摩尔定律实现受阻，先进请参阅附注免责声明4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16nm10nm7nm5nm3nm芯片面积(mm^2)87.6683.278585晶体管数量(十亿个)10.514.1每10亿个晶体管成本($)4.983.812.652.252.16数据来源：InternationalBusinessStrategies芯智讯，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明5(MoreMoore)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晶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(MoreThanMoore),采用先进封装技术将不同功能的芯片集成在一请参阅附注免责声明6封装技术发展至今共经历四个阶段封装技术发展至今共经历四个阶段当前已进入先进封装时代第一阶段：通孔插装时代(20世纪70年代前)。以双列第二阶段：表面贴装时代(20世纪80年代后)。该阶段典型封装方式为扁平方形封装(QuadFlatPackageQFP)、无引脚芯片载体(LeadlessCh为传统封装第三阶段：面积阵列时代(20世纪90年代后)。该阶段兴起了球栅阵列(BallGridArrayBGA)、单芯片封装(ChipScalePackageCSP)等先进封装技术第四阶段：先进封装时代(21世纪后)。封装技术不断发展出现了倒装焊(FlipChip)、晶圆级封装(WaferLevelPackageWLP))、2.5D/3D封装等多统发展数据来源:《先进封装技术的发展与机遇》请参阅附注免责声明7先进封装本质是提升I/O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I/O密度,进而提升芯片性能衡量I/O密度最核心的指标为凸块间距(BumpPitch)和凸块密度(BumpDensity)。根据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请参阅附注免责声明81)提高功能密度:在功能相同的情况下先进封装可以减少芯片的功能密度数十毫米甚至更长导致延时和功耗问题先进封装将互联3)增加I/O数量:先进封装制造多层RDL、倒装芯片与晶片级接器等方式可以在有限的封装空间内增加I/O数量4)提高散热性能:先进封装通过优化封装结构增加芯片与临的散热问题5)实现系统重构:电子系统的构建可以在芯片级和基板级进行，通过在封装内部实现系统级封装可以更好地实现系统2.5D/3D封装低中高低高高高低中中低高低中高低中高请参阅附注免责声明9先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代先进封装内涵丰富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数据来源：SiP与先进封装技术公众号，国泰君安证券研究数据来源：半导体材料与工艺设备公众号国泰君安证券研究请参阅附注免责声明10先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代1)Bump凸块替代引线键合不断向小型化发展凸块指的是定向生长于芯片表面与芯片焊盘直接相连或间接相连的具有金属请参阅附注免责声明11先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代2)RDL(再布线层)再布线技术可以实现引脚重新布局满足更多的芯片管脚需求RDL再布线技术可以实现芯片水平方向互连重新规划连线途径变换芯片初始设计的I/O焊盘位置和排列调整为新的互连结构在传统芯片设计和制造时芯片管脚处理模块(I/O端口)一般分布更加密集,传统的引线键合无法满足I/O需求还会产生散热问题RDL再布线技术可以通过在晶圆表面沉积金属层和相应的介质层，形成新的金属布线重新布局I/O端口到占位更宽松的区域从而解决传统封装面临的问题RDL请参阅附注免责声明12先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代3)Wafer(晶圆)在晶圆上制作硅基板实现2.5D封装，还可以在晶圆级封装中承载晶圆与传统封装是先切割晶圆再各自封装不同的是,晶圆级封装是先键合和塑胶工艺连接线路较短可运用数组式连接具有封装尺寸小、高传输速度、高密度连接、生产周期短等优点请参阅附注免责声明13先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代4)TSV(硅通孔)技术TSV主要用于立体封装满足高密度、多功能的封装需求硅通孔直接进行堆叠芯片TSV可以实现更薄的封装和更短的互连距离；同时TSV可以通过通孔实现在三维方向堆叠增加堆叠的芯片数量子元器件TSV请参阅附注免责声明14先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于X/Y轴延伸的先进封装技术未使用TSV是先进封装基于X/Y平面延伸的主要标志先进封装的四要素中Bump(凸块)、RDL(再布线层)技术主要应用在Wafer没有TSV硅通孔则成为了基于X/Y平面延伸先进封装的显著特点基于X/Y平面先进封装种类多样主要包括了扇入型封装和扇出型封扇入型封装的封装大小和芯片大小相同引脚数目有限；扇出型封装装大小一般大于芯片尺寸可容纳更多引脚晶圆级封装(WLP)有两种主要类型：扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)。早期WLP主要采用扇入型封装(FIWLP),布线均在芯片尺寸内完成,封FIWLP有限的芯片面积内无法容纳足够的引脚,从而逐渐衍生出了扇出型封装(FOWLP)该技术使用再布线(RDL)技术和模塑化合物提供额外芯片面积I/O接口分布在晶粒之外通过先将切割后芯片放置于人工基板后再进行封装和切割因此封装大小一般大于请参阅附注免责声明SiP先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代InFO(IntegratedFan-out):InFO是台积电(TSMC)2017年推出的FOWLP先进封装技术,是FOWLP工艺的集成可视为多先进的逻辑小芯片,可用于5G网络应用数据来源:Intel官网请参阅附注免责声明16先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于X/Y轴延伸的先进封装技术EMIB(EmbeddedMulti-DieInterconnectBridge):EMIB是英特尔2018年推出的技术该技术没有使用TSV硅通孔技术因此可以被划分为基于XY平面延伸的先进封装技术该技术使用传统覆晶芯片方式连接晶粒和基板通过一个很小的硅片实现晶粒直接EMIB数据来源:Intel官网EMIB请参阅附注免责声明17先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于Z轴延伸的先进封装技术TSV技术是基于Z轴延伸先进封装的关键技术包括2.5DTSV和3DTSV基于Z轴延伸的先进封装技术主要通过了TSV进行多个芯片的垂直堆叠实现信号延伸和互连TSV可分为2.5DTSV和3DTSV分别对应2.5D封装和3D封装是垂直方向先进封装的主要类别。2.5D封装特指采用了中介层(Interposer)进行高密度I/O互连的封装和3D封装主要区别在芯片与芯片是否在垂直方向上连接2.5D封装芯片在水平方向排列硅通孔形成在中介层上芯片与基板通过硅中介层相连3D封装芯片在垂直方向上排列直接在芯用的主流方法基于2.5D封装和3D封装技术各家厂商相继推出了CoWoS、Foveros、Co-EMIB-、SoIC、X-Cube等各类技术2.5D数据来源：SiP与先进封装技术公众号请参阅附注免责声明18CoWoSCoWoS先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于Z轴延伸的先进封装技术CoWoS(ChiponWaferonSubRDL(再布线)、L表示LSI(嵌入式)。CoWoS-S首先通过CoW(ChiponWafer)工艺连接芯片和硅晶圆再连接CoW芯片和基板过程中运用了微凸块和TSV工艺能够较好提升系统性能并降低功耗CoWoS-R和CoWoS-L中介层均使用了RDL技术。CoWoS-R通过InFO技术使用RDL中介层实现小芯片的互连常应用于HBM更复杂的功能需求CoWoS-L结合了CoWoS-S和InFO技术的优点(高带宽存储器)和SoC异构集成中可以扩大封装尺寸以满足通过中介层与LSI(局部硅互连)芯片实现晶粒间的互连RDL数据来源：台积电官网请参阅附注免责声明19先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于Z轴延伸的先进封装技术SoIC(SystemofIntegratedChips):SOIC技术是台积电在2019年推出的是全球领先的超高密度3D堆叠技术最突出的特点是没有凸点的键合结构可分为CoW(ChiponWafer)和WoW(WaferonWafer)两种方案,CoW技术为单芯片层面的互连进行异质集合WoW技术是使用整块晶圆进行互连进行同质异构集合SoIC是在前道晶圆制造环节将芯片进行堆叠台积电推出的CoWoS和InFO技术则是在后道封装环节进行进行晶圆级封装堆叠即先通过SoIC技术将芯片进行3D堆叠形成多颗SoC再使用SoICCoWoS/InFO请参阅附注免责声明20先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于Z轴延伸的先进封装技术Foveros&Co-EMIB:英特尔2018年推出了Foveros技术该技术属于3D堆叠封装技术顶层的芯片通过微凸块与底层芯片连接带宽要求较高的产品英特尔2019年推出了Co-EMIB技术该技术将EMIB和Foveros相FoverosCo-EMIB请参阅附注免责声明21先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代基于Z轴延伸的先进封装技术X-Cube/I-Cube:三星于2021年发布2.5D封装技术Interposer-Cube4(I-Cube4),I-CubeTM是一种异构集成技术,在一个硅中介层上水平放置一个或多个逻辑裸片(CPU、GPU等)和多个高带宽存储器(HBM)大型数据中心应用I-Cube4都可通过异构集成在逻辑和存储器之间实现更高的通信速度和能效三星在2020年推出了X-Cube技术计划于2024年实现量产X-Cube使用Z轴堆叠逻辑裸片可以提高动态键合能、节约封装面积X-Cube分为微凸块(u-bump)和铜混合键合(HybridCopperBonding)两种芯片互联方式铜混合键合可以提高芯片灵活性和密度数据来源:三星官网I-CubeX-Cube请参阅附注免责声明22先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代系统级封装(Sip)Sip和先进封装重合度高但并不完inpackage)是将多种功能的芯在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能系统Sip和先进封装重合度高但并不完全相同Sip更关注点在于封装技术和工艺的先进性。倒于Sip但是先进封装工艺中单芯片的扇入/扇出型晶圆封装不属于Sip请参阅附注免责声明23先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代Chiplet要实现Chiplet离不开先进封装的技术支持例如通过2.5D封装或3D封装将拆解的芯粒拼装堆叠起来才能真正实现Chiplet模式。2.5D封装目前是应用于Chiplet的主流方案整体技术相对成熟主要包括台积电的Cowos技术和英特尔的EMIB技术。3D封装技术比较完善的是应用在DRAM领域目前主要有台积电的SoIC、英特尔的Foveros、构(HeteroStructure)集成化指的是将不同工艺制造的芯片封装到一个大芯片中例如将不同制程的Chiplet组合在一起集成异质请参阅附注免责声明24先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代Chiplet芯片迭代时可以灵活更换芯片的某一个部分选择性地进行迭代这为1600平方毫米时芯片的良率可能仅有35.7%；当芯片尺寸为100平方毫米时芯片的良率可以提升至94.2%采用Chiplet模式，yield请参阅附注免责声明25先进封装内涵丰富，与Chiplet协同迎接算力时代ChipletChiplet可应用于HBM解决高算力需求高算力时代AI大模型需要处理大量的数据导致数据计算量迅速增长为了提高处理速度GPU被用作核心处理器进行并行处理然而,GPU的数据处理能力受到内存墙的限制HBM则打破了"内存墙对算力提升的限制突破内存容量和带宽的瓶颈为GPU提供了更快的并行数据处理速度HBM制作离不开先进封装的技术可通过Chiplet结合3D封装技术器、AI加速卡等对算力需求较高的产品中芯片的面积往往大于800mm2,超过其他常规产品芯片面积在200毫米以下Chiplet没有明显Chiplet数据来源：DAC2022请参阅附注免责声明26 封装市场持续扩张，先进请参阅附注免责声明27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请参阅附注免责声明282017201820192020202120222023E2024E2025E2026E2017201820192020202120222023E2024E2025E2026E封装市场持续扩张，先进封装成新增长点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Yole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400200089925%20%数据来源：Yole，集微咨询，国泰君安证券研究250020000201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E32482763299528072891201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E32482763299528072891303625102350219425%20%15%10%请参阅附注免责声明29封装市场持续扩张，先进封装成新增长点传统封装基本由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、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请参阅附注免责声明302014201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E2014201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E封装市场持续扩张，先进封装成新增长点先进封装市场占比快速提升未来有望超越传统封装传统封装具有性价比高、产品通用性强、使用成本低、应用领域广的优点。高端消据，预计2023年全球先进封装市场占比为48.8%,2026年达到50.2%中国先进封装市场占比较低但仍有较大发展潜力预计2023年中国先进封装市场占比将达到39%90%80%70%60%50%40%30%20%10%先进封装传统封装48.8%70%28%数据来源：Yole，集微咨询，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明31 封装市场持续扩张，先进封装成新增长点前沿，先进封装又细分为倒装芯片封装(Flip-Chip)、晶圆片级芯片规模封装(WLCSP)、2.5D/3D堆叠封装(2.5D/3Dstacking)、扇出型封装(Fan-out)和嵌入式基板封装(ED)技术。根据Yole和集微咨询数据各细分工艺中倒装芯片封装占比最大2022年占比为76.7%先进封装市场规模总体呈现上升趋势倒装芯片封装2020-2026年CAGR为6%嵌入式基板封装占比较小，但CAGR最高，为25%其次是2.5D/3D堆叠封装CAGR为24%扇出型封装CAGR为15%2.5D/3D堆叠封装嵌入式基板封装20192020202120222023E2024E2025E2026E数据来源：Yole，集微咨询，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明32请参阅附注免责声明33目前各种不同类型先进封装技术已广泛应用于人工智能(AI)、高性能运算(HPC)、5G、AR/VR等领域占整体封测市场的比重也在不断提升CPU/GPUDPUMCUFPGAFC2.5D/3D、FO、SiPFC、FO、EDFCWBQFN、WLCSPFC、FOFC、2.5D/3D、FOFC、3D、WBQFN、WLCSPSiP智能驾驶FC、FOWB、QFN、WLCSP、SiPFC、FO、WB、QFN、ED、SiPAR/VRHPCFC、FO、EDFC、2.5D/3D、FOFC、2.5D/3D、WBSiPIoTFC、WB、QFN、WLCSPFC、FO、WB、QFN、WLCSP、SiPFCFO、WB、QFN、ED、SiP5GFC2.5D/3D、FOSiPFC、FO、EDFC、2.5D/3D、WB、SiPFC、FO、WB、QFN、WLCSP、SiPFC、2.5D/3D、FOFC、2.5D/3D、FO数据来源：JWInsights，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明34HPC、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%)、SmartPhone(占比38%)、loT(占比8%)、Automotive(占比6%)贡献为主HPC受大模型训练的驱动对于HBM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AI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、Smartphone38%Smartphone38%6%DCEOthers2%OthersHPC43%请参阅附注免责声明35AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力溯到1950年图灵提出的"图灵测试"在OpenAI正式向公谷歌的Deepmind)、toB等方向发展2022年11月30日，OpenAI正式发布面向消费者的聊天机器人模型ChatGPT这导致不到2个月ChatGPT线上活跃用户规模就达1亿人ChatGPT的一炮而红将AI大模型带入大众视野AI大模型的模型的能力也在飞速提升。以GPT为例:2020年6月发布的已经可以实现语音、图片、代码问答任务且可以输出文本、将重点提升推理能力往多模态方向发展(2024年2月16日OpenAI发布文生视频大模型Sora可根据文本生成长达1分钟的视频)。OpenAI创始人Altman在2024年达沃斯经济论坛上表示如果说GPT-4可以实现人类10%的任务那么GPT-5将达到15%-20%数据来源：《ASurveyofLargeLanguageModels》请参阅附注免责声明36AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力2022年，全球生成式AI市场规模达107.9亿美元根据PrecedenceResearch,2022-2032年全球生成式AI市场规模CAGR预计达27.03%,2032年全球生成式AI市场规模将达1180.AI10604020022.1228.135.6945.3457.673.1692.94118.0620222023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E2030E2031E2032E数据来源：PrecedenceResearch国泰君安证券研究请参阅附注免责声明37AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力模型优化升级带动AI服务器出货量增加根据Ope训练所消耗的资源和对超算算力需求也呈现指数级别增长未来三年,超算算力需求将提升超过10倍，而AI服务器是算力的核心GPT1.17亿5GB8个GB，训练耗时1个月40GB256个TPUv3上训练一周45TB(0.3兆tokens)355个GPU上训练一年1.8万亿13兆tokens25000个A100GPU上训练约100天数据来源:OpenAI官网，国泰君安证券研究AIAI数据来源：TrendForce国泰君安证券研究请参阅附注免责声明38AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力搭载80GB的HBM32023年11月，英伟达发布了最新一代GH200GraceHopper,搭载了全球第一款HBM3e,内存达到141GB带宽可达4.8TB/s(比H100的3.35TB/s提升43%)将大幅提高大模型训练效果是高性能计算(HPC)和人工智能等领域的理想选择该产品GPUP100V100H100H200B100X10020162017202020232024E2024E2025EHBM类型HBM2HBM2HBM2eHBM3HBM3e--HBM容量(GB)4080--720GB/s900GB/s2TB/s3.35TB/s4.8TB/s--数据来源：英伟达官网TrendForce国泰君安证券研究请参阅附注免责声明39AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力AMD发布的InstinctMI300A是全球首款数据中心APU它将CPU和GPU结合在同一个封装中将直接与英伟达的GraceHopper表示全球数据中心加速器市场规模将从2023年的450亿美元增长至2027年的4000亿美金CAGR可达70%HBM是GPU的最强"辅助"，在满足高带宽要求的同时可以突破"内存墙限制。HBM通过使用先进封装技术(如TSV硅通孔技术)垂直堆叠多个DRAM将原本在PCB板上的DDR内存颗粒和GPU芯片同时集成到SiP封装中使内存更加靠近GPU既可以节约芯片面积、降低功耗,还可以突破I/O管脚的数量限制进而突破内存带宽的限制,是新一代内存解决方案目前，HBM市场以HBM2e为主流,最先进HBMHBMHBM1HBM2HBM2EHBM3HBM3EHBM4带宽(GB/s307460819235544/84/88/128/1212/16容量(GB)14/88/1616/2424/3636/64I/O速率(Gbps)8数据来源：SK海力士官网，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明40AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力训练型AI服务器对拉动HBM需求增长AI服务器搭载GPU数量由普通服务器的2个提升至8个；每个GPU搭载HBMStack数量由搭载4个HBM1提升至6个HBM2E或HBM3；每个HBM堆叠的DRAMDie密度从2Gb增加至16Gb堆叠高度从4Hi增加至12Hi叠层容量从1GB增加至2027年，全球HBM市场规模将从11亿美元增至52亿美元CAGR达到36.3%。同期HBM容量需求将从1.23亿GB增加到9.72亿GBCAGR达到51.3%HBM20222023E2024E2025EAI服务器渗透率1.0%1.5%4.0%6.0%AI服务器出货量(万台)14.320.858.993.7AI服务器搭载GPU数量8888每个GPU搭载HBM容量(GBAI服务器HBM总容量(亿GBHBM单GB价格(美元)202220HBM总价值量(亿美元)13.730.0194.841请参阅附注免责声明数据来源：TrendForce，英伟达官网，SK海力士官网，国泰君安证券研究41请参阅附注免责声明AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力HBM市占率分别为50%、40%、10%2023年预计分别为53%、38%、9%2014年"先行者SK海力士首先与AMD合作开发了全球首款固市场领先地位2016年，三星开始量产HBM2是英伟达首款采用HBM的GPU的供应商；美光较为落后2018年才HBM数据来源:TrendForce国泰君安证券研究HBM4数据来源:TrendForce国泰君安证券研究请参阅附注免责声明42AI大模型蓬勃发展，高性能算力需求为先进封装注入新活力减少封装体积和功耗等,首先将芯片通过CoW(ChiponWafer)工艺连接至硅中介层(Interposer),再通过OS(OnSubtrate)工艺将CoW芯片和基板连接整合成CoWoS台积电目前产能紧张有望在2024年实现产能翻倍台积电在CoWoS工艺处于领先地位据台积电估计,目前其CoWoS产能供应于产能台积电表示当前首要任务是增加CoWoS产能必要情况下可能会通过转厂方式生产HBM请参阅附注免责声明4340035030040035030025020050030%25%20%15%10%5%0%-5%-10%-15%-20%AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持手机市场广阔智能手机升级刺激换机需求手机和消费领域是先进封装重要的下游应用市场2019年手机和消费领域占先进封装下游应用领域的86%Yole预测2028占比仍将超过一半手机市场的发展情况将会影响到先进封装未来的应用根据IDC的数据23Q3全球智能手机的出货量环比增加了13.4%这也是自2021Q3以来首次实现同比增长增幅为0.3%随着人工智能的升级更新2024年全球5G智能手机的普及将进一步加速AI大模型在手机上应用有望打破手机市场多年创新不足的局面对硬件性能需求的提全球智能手机出货量（百万部）YOY36234633125%31331425%313302300286269265-6%-6%-9%-9%-9%-9%-14%-17%0.3%0.3%303-7%21Q121Q221Q321Q422Q122Q222Q322Q423Q123Q223Q3数据来源：IDC，东方财富网，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明44AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持应用。从初代iPhone开始,苹果就将POP(叠层式)封在2014年苹果发布了AppleWatch真正将先进封装应用于产品中AppleWatchS1芯片使用SiP封装,在主板集成了多达14颗左右的核心芯片产品,以及上百个电阻电容等元器件整个封装的厚度仅为1.16mm2016年苹果发布了iPhone7系列其中的A10处理器运用了台积电的Info_PoP先进封装技术该技术是FOWLP与PoP封装的结合体与传统POP技术不同的是InFO_PoP不需要硅中介层允许多个倒装芯片组件被放置在封装基板上这项技术也让苹果将芯片代工厂商由三星换成了台积电2021年苹果推出20核的M1Ultra处理器它的UltraFusion2.5TB/s处理器封装使用Info_PoP的迭代版本—Info_LSI技术。此种封装使用硅桥以及RDL层代替整块硅通过硅桥将两块M1Max处果正在小规模试产其最新的3D小芯片堆叠技术SoIC，将SoIC与InFO封装方案结合应用于M3Ultr最快在2025-2026年推出应用于MacBook的产品数据来源：TechInsights请参阅附注免责声明45AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持多款手机接入AI大模型开启AI手机新纪元2023年9月25日，华为发布Mate60系列手机接入自研盘古大模型开启"大模型手机时为70亿。在保持轻量化的同时端侧大模型性能依然优秀如小米13亿参数端侧大模型在部分场景效果可媲美行业60亿参数云端大模手机芯片算力需求将随着大模型手机的发展爆发式增长。-款130亿参数的AI大模型大概需要13GB内存才能运行而智能手机本身运行操作系统通常需占用4GB内存，再加上其他常规APP的流畅运行总的手机内存容量需求将超过20GB目前大多数旗舰手机内存在16GBAIAI华为Mate60系列麒麟9000s2023年9月25日小米14系列13/60端侧/云侧骁龙8Gen32023年10月27日VivoX10010/70端侧/端云两用天玑93002023年11月13日OPPOFindX7天玑93002024年1月8日荣耀Magic6骁龙8Gen32024年1月11日三星GalaxyS24系列谷歌Gemini18-3000Exynos2400请参阅附注免责声明46AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持三星GalaxyS24实现AI新技能Exynos2400芯GPT-4的谷歌产品Gemini在进入国内市场接入百度高效办公；智能Bixby深度理解意图整合知识来手机将搭载三星首款采用扇出式晶圆级(FOWLP)技术封装的智能手机SoC——Exynos2400芯片。FOWLP封装技术让Exynos2400拥有更多地I/O连接，进而提升电信号传输速度同时由于封装面积更小散热性能也得到显著提升。三星宣称使用FOWLP使多核性能提高8%。三星计划2024年将"GalaxyAI及到约1亿台移动设备请参阅附注免责声明474000040000AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持AIPC成为未来PC端发展趋势拉动PC换机需求。根据IDC的统计数据，从2023Q2开始全球PC出货量同比跌幅收窄环比增长2023Q3全球PC出货量为6820万台虽然同比下滑近8%但环比增长近11%Gartner预计随着行业去库存接近尾声PC市场有望在2023Q4再次出现同比增长,开启上行周期由于低延迟和隐私保护的要求大模型的本地化需求正在增加个人电脑(PC)目前是AI大模- 8%68- 8%682022Q122Q222Q322Q423Q123Q223Q3数据来源：IDC，国泰君安证券研究4020079%AIPC整机出货量（百万台）AIPC渗透率79%28%2023E2024E2025E2026E2027E80%70%60%50%40%30%20%10%请参阅附注免责声明48AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持了新Inspiron灵越13Pro/14Plus/16lus三个版本；LG、华硕、微星等也同步推出了AIPC终端产品芯片厂商方面,英伟达发布的三款具有16TOPS算力的NPU加上CPU和GPU最高算力可达39TOPS；英特尔推出酷睿i9-14900HX系列移动处理器着重提升PC多任务ThinkPadX1CarbonAI数据来源：联想官网请参阅附注免责声明49AI手机与AIPC迎来增长元年，大模型接入亟需先进封装提供更强算力支持处理器还将核显更换成了Xe-LPG的ArcGPU,核显性能提升两倍；首次加入NPU模块，加速笔记本AI性能表现,将为AIPC提供强大助力,推动其实现全面普适化Foveros请参阅附注免责声明50汽车销量边际高增高阶自动驾驶占比有望逐渐提升根据乘联会2023年全球汽60家公司获批在加利福尼亚州进行自动驾驶测试；2024年2月2日采埃孚中国获得L4级自动驾驶测试牌照可在特定条件下无人驾驶2024年4月7日广汽埃安与滴滴成立合资公司拟于2025年推出商业化L4的RoboTaxi。ICV预测，2027年L3自动驾驶市场份额占比将达25%L4/L5高阶自动驾驶亦将达3%95009000850080007500700091247879-1.36%816389188276-13.65%5.04%7879-1.36%816389188276-13.65%5.04%201920202021202220230%-5%-10%-15%80%60%40%20%L0L1L2L3L4/L5942023E2024E2025E2026E2027E%%数据来源:OICA，乘联会，国泰君安证券研究请参阅附注免责声明51汽车电子化带动芯片需求量大增汽车电子化带动芯片需求量大增先进封装成为其优良选择芯片是人工智能的核心随着汽车智能化程度的提高对芯片的需求量也相应增加普通燃油车通常需要500-600颗芯片，而新能源汽车则需要超过1000颗。更高级的智能汽车对芯片的需求量更大可能需要超过5000颗芯片随着自动驾驶特别是高阶自动驾驶的发展对汽车芯片的需求量将大幅增加这意味着汽车芯片未来市场空间巨大汽车的电源类器件及芯片过去通常采用传统的引线键合(wirebond)进行封装，但随着芯片需求量增大，智能汽车芯片需要使用能够缩短线路路径增强线路导电性的方法完成封装先进封装便成为智能汽车芯片封装的优良选择根据Yole统计和预测，汽车领域2019年占先进封装下游应用市场的3%，2028年占比将大幅增长为汽车芯片功能集成化要求提升，Chiplet技术展现出独特的优势汽车芯片正在经历从通用型、分散化的单一功能芯片向集成化的多功能SoC芯片的快速转变例如，在智能座舱领域，为了提高任务处理能力，需要使用CPU算力；为了处理视频等非结构化数据，需要GPU算力；为了满足智能化交互体验的要求提升人机交互体验需要高效的AI算力在这个过程中，Chiplet技术展现出独特的优势，Chiplet技术可以显著简化汽车芯片在方面，与直接生产SoC相比，Chiplet技术可以提高晶圆面积的利用率，Chiplet可以重复使用，从而降低了产品的总设计、验证和制造成本此外，采用Chiplet技术后，各大厂商可以专注于自己的芯粒和IP，避免不必要的IP费用支出因此Chiplet成为了汽车芯片未来制造发展的重要方向，将推请参阅附注免责声明52车辆等操作在夜晚雨天也不会失效根据Troyteslike北美地区特斯拉FSD渗透率已超过25%截至2023年9月12日，FSD已累计行驶FSDV12数据来源：马斯克X官方账号FSDV12数据来源：马斯克X官方账号请参阅附注免责声明53DojoChipletDojoChipletDojo超算提供强大算力支持自研D1芯片采用Chiplet先进封装技术由于GPU不是专门为处理深度学习设计其在计算时效率相对较低为满足FSD海量数据与高性能算法极强的算力需求特斯拉于2022年发布专为球超算中算力排名第六,特斯拉预计Dojo算力在2024年将突破100EFlops相当于30万片英伟达A100的算力为更好的提升Dojo计算能力，特斯拉为其打造了自研D1芯片。每25个D1芯片组成一个独立的训练模组模组算力可达9PFLOPSI/O带宽最高达每秒36TB。训练模组在封装时采用InFO_SoW(SilicononWafer)封装来提高封装密度同时采用特斯拉自研机械封装结构以减少处理器模组失效-个DojoPOD机柜有两层计算托盘共12个训练模组合计可提供算力108PFDojo2024100EFlops数据来源：马斯克X官方账号请参阅附注免责声明54 封装设备需求稳步增长，请参阅附注免责声明55封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力传统封装包含多道工序，竞争格局相对集中圆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&Soffa(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)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Besi等；国内主要厂商有中电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、NDC请参阅附注免责声明56封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力传统封装包含多道工序，竞争格局相对集中内的多道工序。8)打标机：打标是在半导体封装表明刻印产品信求的符号、图案等打标可使用激光灼烧环氧树脂模塑料等材料来进行刻印也可使用油墨压印，目前主要使用激光打标国外主要厂商有Trumpf和等。9)测试机：对封装完成后的芯片和器件进行功能测试、参数测试、可靠性测试等其中功能测试主测试包括电压、电流、频率等可靠性测试包括高温、高湿、振动等测试测试机国外的主要厂商有控、长川科技等括按尺寸分选、按电性能分选、按光学特性分选等。分选机国外的主要厂商包括爱德万、爱普生、科休;数据来源：大族封测招股说明书SK海力士官网国泰君安证券研究请参阅附注免责声明57200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020202120222023E200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020202120222023E400封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力传统封装包含多道工序，竞争格局相对集中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200%请参阅附注免责声明58封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力先进封装是一系列封装技术的总成其四要素包括Bump(凸块)、RDL(再布线)、TSV(硅通孔)以及Wafer(晶圆)。其中Bump发挥着应力缓冲和界面互联的作用,RDL起着XY平面电气延伸和互联的作用,TSV起着Z轴电气延伸的作用Wafer则作为集成电路的载体以及RDL和TSV的介质和载体此外可以实现更小凸块间距的混合键合技术也开始引入到3D封装当中上述新技术的引入，对1.倒装焊工艺及所需设备Bump(凸块)的生成是倒装焊的前置步骤：作为晶圆入料检查完成后的首道工序凸块制造技术是先进封装的核心技术之一也是TSV等先进封装技术得以进一步发展演化的基础凸块指的是定向生长于芯片表面与芯片焊盘直接相连或间接相连的具有金属导电特的100um发展到现在最小尺寸为5um与传统的引线键合工艺相比倒装焊工艺热性能优良可靠性高便于返修被广泛应用封装工艺中请参阅附注免责声明59封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力1.倒装焊工艺及所需设备倒装焊的具体工艺包括以下四步：1)凸块下金属化(UBM)；2)回流形成凸块；3)倒装芯片组装；4)底部填充与固化其中关键步骤为UBM和凸块制作1)UBM的制作:UBM的主要作用是在于互联键合层,并阻挡ball材料原子扩散至下层金属材料以及粘接下层介电材料和金属层UBM的制造工艺主要有溅射、蒸镀、化学镀三种类型溅射和蒸镀两种方法可以实现更好的薄膜质量但成本高昂化学镀因其制造成本较低成为制备UBM的主流方法化学镀的主要流程为：电镀Al同时用锌酸盐工艺去除Al盘上的氧化膜形成粘附以及扩散阻挡层；再镀Ni或Cu形成焊料湿润层；最后镀Au形成氧化2)凸块制作:主要方法包括蒸镀焊料凸块、电镀焊料凸块、印刷焊料凸块、钉头焊料凸块等其中电镀法设备因成本较低成为主流工艺在形成UBM之后电镀法制备凸块的主要工艺及其所需设备为涂胶(涂胶显影设备)、凸块光刻(光刻机)、焊料电镀(电镀设备)、去胶(涂胶显影设备)、去除UBM、回流(回流焊炉)。请参阅附注免责声明60封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力机械连接数据来源：芯语公众号请参阅附注免责声明61封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力2.RDL(再布线层)制备及其所需设备的芯片管脚需求RDL实现的具体工艺流程:制备RDL的工艺主要分为三类:①直接通过PECVD方法制备介质层和Cu布线层之后通过机械研磨去除载片；②介质层直接使用玻璃载板在此基础上通过电镀和刻蚀完成Cu布线层；③混合法综合①&②可以制备更多层的RDL适用于更复杂的芯片结构方法①使用PECVD进行RDL扇出及所需设备：Wafer表面沉积一层SiO2(或SiN)薄层(PECVD设备)然后使用离子刻蚀完成图形化得到第一层与硅片相连的RDL重复上述步骤即可得到更多的RDL该工艺路线目前已较为成熟但造价昂贵且对设备要求较高方法②以玻璃载板为介质层制备RDL及所需设备：在玻璃载板上涂抹一层牺牲层(激光设备)在牺牲层上制备UBM结构和RDL结构(电镀设备、清洗设备、光刻机、涂胶显影设备、刻后完成激光解键合和植球(激光设备和植球机)。上述工艺流程较为简单已逐渐取代第一种方案但是该方法中的玻璃载板的引入提高了对封装过程中翘曲控制的要求。方法③结合上述两种方法制备RDL及所需设备：首先使用第二种工艺,在玻璃载板上完成布线UBM结构制备然后将其键合到硅片上去除玻璃载板后接着使用第一种工艺的PVD和电镀技术继续布线最后进行芯片的倒装和塑封通常可以实现六层以上的高密度布线。上请参阅附注免责声明62封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力PECVDRDL数据来源：先进封装RDL-first工艺研究进展》请参阅附注免责声明63封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力数据来源：《先进封装RDL-first工艺研RDL数据来源：先进封装RDL-first工艺研究进展》请参阅附注免责声明64TSVTSV2024国泰君安上市公司见面会暨春季策略会封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力2024国泰君安上市公司见面会暨春季策略会3.TSV(硅通孔)制备及所需设备型化TSV技术是目前半导体制造业中最为先进的技术之一主要用于立件。TSV制备的工艺流程及所需设备:①深沟槽制备：在前道制造中通过硬槽(刻蚀机)再通过CVD制备氧化物绝缘膜和金属薄层阻挡铜扩散中(CVD设备)。②&③铜填充与多余铜的去除：首先使用PVD法进行铜种子层的沉积再通过电镀法对深沟槽进行铜填充(电镀设备)之后对溢出沟槽的铜进行去除(CMP设备)。④-晶圆背面凸点的制备:RDL光刻机、电镀设备、回流焊炉等)。第⑧步之后为晶圆正面凸点的制备：步骤基本同④-数据来源:SK海力士官网请参阅附注免责声明65封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力44.Wafer(晶圆级封装)技术及所需设备Wafer技术:是一种在芯片制造过程中将芯片封装的技术。其基本思想到一个整体封装结构中由此可避免传统封装中需要单独封装每个芯片的步骤。靠性和一致性接着在硅片上应用一层封装材料形成封装结构的基础在硅片上创建金属连线或其他电路连接结构用于连接芯片的电路与封所需设备:Wafer技术中使用涂布设备涂覆聚合物薄膜；使用电镀设备等规划RDL线路图形；使用刻蚀设备进行湿法蚀刻去除光刻胶和溅射以达到良好焊接效果技术优势:Wafer技术具备优化性能其可提供更短的电信号传输路径和更低的电阻/电感，从而提供更好的电气性能和成本和高生产效率其能够在芯片制造的早期阶段进行减少了后续封请参阅附注免责声明66封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力5.混合键合(HybridBonding)技术及所需设备混合键合可实现10μm以下的凸块间距实现更高密度的封装混合键合(HybridBonding)是一种实现芯片三维堆叠高密度互连的永久键做到每平方毫米625个。混合键合从焊料的凸块连接转向直接Cu-Cu金属键请参阅附注免责声明请参阅附注免责声明SiPSiP封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力5.混合键合(HybridBonding)技术及所需设备混合键合包括W2W和D2W两类。W2WWafer-to-Wafer),晶圆到晶圆键合工艺,将两个晶圆直接键合到一起该工艺有更高的对准精封装中的综合成本更低W2WWafer-to-WaferD2WDie-to-WaferKLASemianalysis请参阅附注免责声明68封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力5.混合键合(HybridBonding)技术及所需设备晶圆表面清洁度和平整度是决定混合键合良率的关键指标混合键合需要两个非常光滑且平坦的表面完美地键合到一起因此键合界面的清洁度和平整度是决定良率的关键指标颗粒的污染主要来源于加工环境和加工工序混合键合需要比其他形式的先进封装更高级别的洁粒则需要清洗设备消除混合键合表面如果不平整在键合中容易产生空洞或无效键合一般要求电介质表面达到0.5nm以下的粗糙度、数据来源：Semianalysis请参阅附注免责声明69封装设备需求稳步增长，先进封装注入新活力5.混合键合(HybridBonding)技术及所需设备混合键合的工艺流程及所需设备:填充(电镀设备)。③表面抛光：通过CMP工序研磨表面来获得正确的铜轮廓(CMP设备)。④晶圆分类与切割(仅D2W