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半导体封装技术持续发展,先进封装将成未来趋势

一、半导体封装技术持续发展,由传统到先进

从产业链角度划分,半导体产业链可分为上游半导体设备及材料产业、中游半导体制造产业和下游应用产业,其中中游的半导体制造产业按照产品分类可分为光学光电子、传感器、分立器件和集成电路四大类,而集成电路又可分为逻辑芯片、存储芯片、模拟电路和微处理器四类。从市场规模占比来看,集成电路是半导体制造业的核心,占半导体行业规模的八成以上。

数据来源:世界半导体贸易统计组织(WSTS),观研天下数据中心整理

从制造工艺角度看,集成电路产业链从上至下可分为设计、制造和封测三大环节,其中集成电路封测是集成电路产品制造的后道工序。绝大部分芯片设计公司采用Fabless模式,本身无晶圆制造环节和封装厂测试环节,其完成芯片设计后,将版图交给晶圆代工厂制造晶圆,晶圆完工后交给下游封测企业,封测企业根据客户要求的封装类型和技术参数,将芯片裸晶加工成可直接装配在PCB电路板上的集成电路元器件。封装完成后,根据客户要求,对芯片产品的电压、电流、时间、温度、电阻、电容、频率、脉宽、占空比等参数进行专业测试。完成晶圆芯片的封装加工和测试后,封测企业将芯片成品交付给客户,获得收入和利润。

半导体产业链

资料来源:观研天下数据中心整理

根据《中国半导体封装业的发展》,迄今为止全球集成电路封测行业由传统到先进可分为五个发展阶段,自第三阶段起的封装技术统称为先进封装技术。当前,中国封装企业大多以第一、第二阶段的传统封装技术为主,例如DiP、SOP等,产品定位中低端;全球封装业的主流技术术处于以CSP、BGA为主的第三阶段,并向以系统级封装(SiP)、倒装焊封装(FC)、芯片上制作凸点(Bumping)为代表的第四阶段和第五阶段封装技术迈进。先进封装技术更迎合集成电路微小化、复杂化和集成化的发展趋势,是封测产业未来的发展方向。

集成电路发展的五个阶段

阶段

时间

封装

具体的封装形式

第一阶段

20世纪70年代以前

通孔插装型封装

晶体管封装(TO)、陶瓷双列直插封装(CDIP)、塑料双列直插封装(PDIP

第二阶段

20世纪80年代以后

表面贴装型封装

塑料有引线片式载体封装(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、小外形表面封装(SOP)、无引线四边扁平封装(PQFN)、小外形晶体管封装(SOT)、双边扁平无引脚封装(DFN

第三阶段

20世纪90年代

球栅阵列封装(BGA

塑料焊球阵列封装(PBGA)、陶瓷焊球阵列封装(CBGA)、带散热器焊球阵列封装(EBGA)、倒装芯片焊球阵列封装(FC-BGA

晶圆级封装(WLP

芯片级封装(CSP

引线框架CSP封装、柔性插入板CSP封装、刚性插入板CSP封装、圆片级CSP封装

第四阶段

20世纪末开始

多芯片组封装(MCM

多层陶瓷基板(MCM-C)、多层薄膜基板(MCM-D)、多层印制板(MCM-L

系统级封装(SiP

三维立体封装(3D

芯片上制作凸点(Bumping

第五阶段

21世纪前10年开始

微电子机械系统封装(MEMS

晶圆级系统封装-硅通孔(TSV

倒装焊封装(FC

表面活化室温连接(SAB

扇出型集成电路封装(Fan-Out

扇入型集成电路封装(Fan-in

资料来源:观研天下数据中心整理

二、后摩尔时代,先进封装发展趋势确定

(一)受物理极限和成本制约,摩尔定律逐步失效

根据观研报告网发布的《中国半导体封装行业发展趋势分析与投资前景研究报告(2023-2030年)》显示,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。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。

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。

数据来源:WSTS,观研天下数据中心整理

(二)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。

先进封装成为后摩尔时代发展趋势

资料来源:观研天下数据中心整理

三、新兴应用场景快速兴起,先进封装下游应用广泛。

随着5G通信技术、物联网、大数据、人工智能、视觉识别、自动驾驶等应用场景的快速兴起,应用市场对芯片功能多样化的需求程度越来越高。在芯片制程技术进入“后摩尔时代”后,先进封装技术能在不单纯依靠芯片制程工艺实现突破的情况下,通过晶圆级封装和系统级封装,提高产品集成度和功能多样化,满足终端应用对芯片轻薄、低功耗、高性能的需求,同时大幅降低芯片成本。因此,先进封装在高端逻辑芯片、存储器、射频芯片、图像处理芯片、触控芯片等领域均得到了广泛应用。

以系统级封装为例,现阶段,以智能手机为代表的移动消费电子领域是系统级封装最大的下游应用市场,占了系统级封装下游应用的70%。根据Yole预测,未来5年,系统级封装增长最快的应用市场将是可穿戴设备、Wi-Fi路由器、IoT物联网设施以及电信基础设施。尤其随着5G通讯的推广和普及,5G基站对倒装球栅阵列(FC-BGA)系统级封装芯片的需求将大幅上升,未来5年基站类系统级芯片市场规模年均复合增长率预计高达41%。

数据来源:Yole,观研天下数据中心整理

四、半导体封测市场规模持续增长,推动先进封装占比提升

近年来,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,封测行业受益市场规模持续增长。根据WSTS数据,2021年全球集成电路封测行业市场规模为670亿美元,同比增长3.87%,2017-2021年复合增长率为2.97%,预计2022年市场规模有达到670亿美元。在中国,受益于半导体产业向中国大陆转移,中国封测市场快速发展。根据中国半导体协会数据,2021年中国封测产业市场规模为2743.44亿元,2017-2021年,中国大陆封测产业市场规模复合增长率为9.9%,增速高于全球。

数据来源:WSTS,观研天下数据中心整理

数据来源:WSTS,观研天下数据中心整理

从先进封装占比来看,随着半导体封测市场规模持续增长,全球先进封装占比持续提升,根据YOLE数据,2021年全球先进封装占比已经达到45%,近年来先进封装市场规模增速要明显高于传统封装增速。我国先进封装渗透率低,但随着半导体行业的发展,近年来,国内厂商通过兼并收购,快速积累先进封装技术,目前封测厂商技术平台基本做到与海外同步,大陆先进封装产值占全球比例也在逐渐提升,由2015年的10.3%增长至2020年的14.8%。预计我国先进封装产值占全球比重有望进一步提高,2022年将达到16.8%。

数据来源:Yole,观研天下数据中心整理(wys)

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后摩尔时代”到来我国集成电路封测行业发展重要性愈发凸显 市场规模持续增长

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随着我国集成电路国产化进程的加深、下游应用领域的蓬勃发展以及国内封测龙头企业工艺技术的不断进步,国内封测行业市场空间近年来不受国外市场营销,市场规模持续保持增长态势。2023年我国集成电路封测行业市场规模为3483亿元。

2024年05月15日
我国半导体设备行业:本土企业成长边界不断拓宽 高端设备国产替代任重道远

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数据显示,2023 年第三季度全球半导体设备厂商市场规模 top10 营收合计超过 250 亿美元,同比下降 9%,环比增长 3%,且均来自美国、日本与荷兰。

2024年05月09日
我国植物补光设备行业:市场应用前景广阔  LED植物补光设备成为最主要设备

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2024年03月27日
我国塑料光纤行业市场规模稳步扩张 工业控制总线系统是最稳定最大市场之一

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虽然我国塑料光纤行业起步较晚,但随着国家政策持续利好,以及国内科技技术不断进步,我国塑料光纤行业发展态势较好。目前塑料光纤由于符合国家"光进铜退"、低碳、节能、环保的产业发展方向,是实现“宽带中国”战略的一个重要选择,已经被列入电力新技术、新产品、新成果的应用领域中。

2024年03月13日
我国特种光纤行业市场需求旺盛 自主研发加快助力国产化、量产化脚步

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光纤激光器应用于激光加工系统,具有加工精度高、加工速度快、使用寿命长和柔性好等优点,因此稀土掺杂光纤激光器已经在许多方面取代了传统的气体和固体激光器。而作为光纤激光器增益介质的有源光纤,对激光器的特性具有决定性的作用。2022年我国有源光纤市场规模达到46.40亿元。

2024年03月11日
AI和高性能计算机发展推动全球先进封装行业需求增长 各大封测厂商纷纷布局

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另外,从全球封装行业市场总体结构来看,2023年先进封装市场份额已经超过48%,达到48.8%,2019年全球先进封装市场份额只有45.6%,可见先进封装市场表现要优于传统封装市场,这和上文所述观点表现一致。

2024年03月01日
我国消费电子精密结构件行业增长乏力  后续仍需依赖新型爆款消费电子产品带动

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我国是消费电子产品的全球重要制造基地,全球主要的电子生产和代工企业大多数在我国设立制造基地和研发中心。一组数据可以说明:全球约80%的个人计算机、65%以上的智能手机和彩电在国内生产,创造直接就业岗位约400万,相关配套产业从业人员超千万。

2024年02月27日
我国电气设备检测行业需求增长空间巨大 企业争相入局 市场竞争日益激烈

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根据数据显示,2016-2022年我国电力(包括核电)检验检测机构营业收入由32.1亿元增长113.03亿元,年均复合增长率达 28.6%。电气设备检测市场规模从2018年14.95亿元增长到2022年的20.61亿元。

2024年02月22日
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