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先进封装,为所有玩家打开潘多拉魔盒
2021-10-27 来源:探索科技TechSugar
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关键词: 半导体 台积电 嵌入式

先进封装就像一个潘多拉魔盒,具有诱人的魅力,对于IDM(集成器件制造商)、代工厂和OSAT(外包半导体组装和测试)具有重要战略意义,因此便有了超过100亿美元的大笔投资。

在《2021年先进封装行业现状报告》中,市场研究公司Yole预测:2026年先进封装市场的收入将从2014年的基数翻一番以上。我们来看具体分析。


先进封装份额与日俱增

先进封装在整个半导体市场中的份额不断增加:到2026年,将占市场的近50%。期间先进封装平台,包括3D堆叠、ED(嵌入式片芯)和扇出的收入复合年增长率最高,分别为22%、25%和15%。

从技术趋势来看,异质集成是半导体创新的关键。先进封装可以提高半导体产品的价值,增加功能,保持并提高性能,同时降低成本。各种各样的多片芯封装(SiP,系统级封装)正在开发,以用于消费、性能和专业应用的高端和低端产品。

另外,半导体制造供应链正在经历不同的变化。IC基板和PCB制造商,如SEMCO、Unimicron、AT&S和Shinko,正在进入先进封装领域;OSAT正在扩展其测试专业知识,而传统的纯测试玩家正在投资于组装/封装能力;台积电英特尔三星已成为新的先进封装技术的关键创新者。


按地理划分的2020年OSAT收入

Yole首席分析师兼封装、组装和基板总监Santosh Kumar断言:“先进封装市场2020年的价值300亿美元,2026年将达475亿美元,复合年增长率为7.4%。同时,传统封装市场将以4.3%的复合年增长率增长,到2026年将达到500亿美元。总封装市场的复合年增长率为6%,同年价值为954亿美元。

先进封装的吸引力是半导体行业经济复苏的一部分。尽管新冠疫情引发了全球经济衰退,但半导体市场在2020年表现强劲;尽管由于全球封锁、远程工作和教育、在线娱乐以及消费者购买行为的转变,行业需求全年不平衡,但2020年全球半导体收入同比增长6.8%,达到4400亿美元。展望未来,到2022年,该市场将增长15%以上,超过5000亿美元。

Yole封装团队首席分析师Avier Shoo强调:“由于先进封装市场的持续发展势头,其在整个半导体市场中的份额正在不断增加,到2026年将达到近50%的市场份额。”他补充道:“就300毫米等厚初制晶圆而言,传统封装仍占主导地位,占总市场的近72%。然而,先进封装在不断增加其晶圆份额,到2026年将增至35%,达到5000多万片。先进封装晶圆的价值几乎是传统封装的两倍,可以为制造商带来高利润率。2020年,倒装芯片约占先进封装市场的80%,到2026年将继续占据相当大的市场份额,超过71%。”

在不同先进封装平台中,各种应用的采用率将继续增加。在2020年至2026年期间,以移动电话为主的无线局域网(WLCSP)将以5%的复合年增长率增长。尽管规模较小(2020年约为5100万美元),但随着电信和基础设施、汽车和移动市场的需求驱动,嵌入式芯片市场预计在未来5年内将以22%的复合年增长率增长。

按平台划分的先进封装收入预测

供应链投资不断

通过对供应链的全面分析,Yole指出,OSAT目前主导着先进封装市场,在初制晶圆方面OSAT约占整个市场的70%。然而,在高端封装领域,包括2.5D/3D堆叠、高密度扇出,大型代工厂(如台积电)和IDM(如英特尔和三星)在高端市场发展迅速,占据了市场主导地位。这些玩家正在大量投资于先进封装技术。事实上,作为一种战略,它有助于将封装从基板转移到晶圆/硅平台。

Yole技术和市场分析师Stefan Chitoraga评论说:“台积电在2020年获得了约36亿美元的先进封装收入,2021年其先进封装业务的资本支出估计为28亿美元,专门针对SoIC、SoW和InFO变体以及CoWoS产品线。与此同时,英特尔对各种先进封装组合的投资,如Foveros、EMIB、Co EMIB,成为实施新领导层公布的IDM 2.0战略的关键。英特尔计划利用外部和内部制造资源,专注于设计导入和增加市场份额,增强其在客户和数据中心领域的领导地位。”

三星正积极投资于先进封装技术,以促进其代工业务,希望成为台积电强有力的替代者。

另一方面,OSAT也在大量投资于先进封装技术,以在利润丰厚的市场上竞争。2020年,OSAT的资本支出同比增长27%,约为60亿美元。尽管受到了新冠疫情的影响,这一战略还是为非常好的财政年度做出了贡献。

总体而言,封装/组装业务(传统上是OSAT和IDM的领域)发生了范式转变。采用不同商业模式的玩家,包括代工厂、基板/PCB供应商、EMS/DM(电子制造服务/设计制造),正在进入组装/封装业务。

先进封装技术占据中心地位

半导体行业已进入一个新时代,移动/消费和其他驱动因素,如大数据、人工智能、5G、高性能计算(HPC)、AR/VR/MR、云/边缘计算、物联网(包括工业物联网)、智能汽车、工业4.0,而超规模数据中心也在创造对系统或子系统的需求,这些系统或子系统需要高计算能力、高速度、更多带宽、低延迟、低功耗、更多功能、更多内存、系统级集成和各种传感器,同时保持低成本。

使用先进封装技术的异构集成是满足这些系统性能要求、提高半导体产品价值、增加功能以及在降低成本的同时保持/提高性能的关键。这给封装供应商带来了巨大的压力,每个客户都需要越来越多的定制。

先进封装的关键技术趋势是:基于芯片实现异构集成的方法;3D NAND、HBM中的WoW(晶圆堆叠晶圆)机会,12或16片芯堆叠,间距缩至35微米;针对数据中心和HPC中的计算,使用混合键合的3D SoC,采用逻辑-逻辑或存储器逻辑堆叠3D IC;支持AI、HPC和网络的大体积封装(约100×100mm2);封装方面的各种创新支持移动双面模压BGA中的5G毫米波、低介电损耗材料、封装天线(AiP)等。;高密度扇出的开发和采用将加速移动、HPC和网络的发展;使用RDL插入器开发的后上芯(chip last)扇出;大封装全侧(all-side)模压WLCSP封装采用也在增加。

下面这张图很重要,不仅是因为它回溯了半导体封装的发展历史,更重要的是它给出了未来近30年的发展路线图。看来,2D/3D封装将在节点缩小方面发挥越来越重要的作用。

1970-2050年半导体封装路线图

在系统集成级别方面,有点像自动驾驶分级,从L0的半导体片芯/晶圆集成开始,L1级为SiP半导体封装,L2为设备/设备板封装,L3为终端设备封装;L1+2级是半导体封装+电路板,既有半导体封装,又有与PCB的集成。

系统集成级别

我们看到,整个封装平台包括各种各样的技术,五大类包括了无基板、有机基板、引线框基板、陶瓷基板和嵌入式片芯。下面还有三层细分封装工艺。

封装系列平台

那么先进封装平台又有哪些工艺呢?同样还是五大类,但工艺种类少了很多。

先进封装平台

从系统集成角度看,先进封装平台与系统集成级别关系密切,呈现出以下分布,除了晶圆级的一些工艺,还有基板/Strip级以及面板级封装工艺。

系统集成与先进封装

半导体与全球经济高度相关

根据世界银行的数据,2021年全球经济将增长5.6%,是80年来最强劲的衰退后速度;2022年将增长4.3%。这种复苏是不平衡的,主要反映了一些主要经济体的大幅反弹。

中国经济预计在2021年将以8.5%的速度增长,而美国经济和许多新兴市场和发展中经济体(EMDE)将以6.8%的速度增长,疫苗接种的障碍继续影响着经济活动。

随着全球经济从新冠疫情引发的全球衰退中反弹,伴随而来的强劲的全球贸易为EMDE复苏提供了契机。不过,全球前景仍面临重大下行风险,包括在EMDE债务水平较高的情况下可能出现新冠疫情和金融压力。决策者将需要平衡支持复苏的需要,同时维护价格稳定和财政可持续性,并继续努力推动促进增长的改革。

在半导体领域,美洲市场的销售额表现突出,2020年增长19.8%。中国仍然是最大的半导体市场,2020年在中国的销售额达到1517亿美元,增长了5.0%。2020年,亚太地区(5.3%)和日本(1.0%)的年销售额也有所增长,但欧洲的年销售额有所下降(-6.0%)

逻辑器件2020年销售额为1175亿美元,内存为1173亿美元,是销售额最大的半导体类别。与2019年相比,逻辑产品的年销售额增长了10.3%,而内存产品的销售额增长了10.2%。在内存领域,NAND闪存产品的年销售额非常突出,2020年增长23.1%,达到495亿美元。2020年,微型IC(包括微处理器)的销售额增长了4.8%,达到696亿美元。2020年,所有非内存产品的销售额合计增长了5.2%,总销售额达到历史最高水平。

全球半导体市场

伴随市场的不确定性,半导体并购不断加剧。在大型收购交易的推动下,2020年成为半导体并购协议创纪录的一年。与2019年相比,并购价值增长272%,达到约1180亿美元。而在过去5年的半导体并购总额中,半导体封装并购总额仅为约40亿美元。

2020年的半导体收购是由大型IC公司推动的,这些公司希望在新兴和高增长市场机会中提升自己的地位,如嵌入式机器学习和人工智能、自动驾驶汽车、电动汽车、云计算服务数据中心的扩展以及连接到物联网的传感器和系统。

主要整合驱动因素包括希望补充有机增长、收入和成本协同效应,以推动业务增长,同时考虑尖端研发成本、规模的重要性,增加互补性和市场占有率的愿望。

寡头垄断领先市场

半导体工业的未来驱动力是数字社会的发展。从遵循摩尔定律玩家的时间顺序来看,摩尔定律在过去几十年(自1965年以来)指导着全球半导体行业,通过节点扩展提高了性能和成本。

2002年(130nm)之后,该行业一直在广泛整合。规模的限制已经打乱了在这一领域中竞争的公司格局。目前,这里已是一个寡头垄断市场,只有少数重要玩家。

具有领先制造能力的玩家数量

在技术路线图方面,正在从纳米尺度转向微米尺度。业界正在研究功能路线图的重要性,先进封装是弥合芯片和PCB之间差距的关键。堆叠片芯?Bump间距(μm)、片芯到基板FC凸点间距(μm)和基板至板BGA球间距(μm)将可能让摩尔定律继续下去。

基于技术和行业预期的趋势

来看一下10家主要厂商的市场情况,包括2家IDM(英特尔、三星)、一家代工厂(TSMC)、全球前5家OSAT(ASE、SPIL、Amkor、PTI、JCET)以及Nepes和Chipbond,加工了约75%的先进封装晶圆。

2020年晶圆先进封装市场份额

这里还有2020年前26名OSAT收入的财务数据,前8位OSAT继续在资本支出和研发方面进行大量投资。投资巨大的顶级OSAT与其他同类厂商形成了很大差距。

2020年前26名OSAT财务概况(百万美元)

前8位OSAT中包括3家中国制造商、4家中国台湾制造商和1家美国制造商。

UTAC失去了去年的第8名。ChipMOS Technologies目前排名第八。如果没有差异化的技术或知识产权作为并购退出策略,则处于尾部的公司将面临更高的风险。不在前8名的球员需要迎头赶上。否则,它们将面临被收购或业务损失的风险。

基于公司总部位置,从2020年前26位OSAT的收入分配可以看出,在排名前25位的OSAT中,位于中国台湾的OSAT在2020年贡献了超过一半的收入,其次是中国大陆;美国位居第三,韩国的OSAT高于马来西亚。

OSAT收入分配

机会在哪里?

人们不禁要问,半导体封装的机会在哪里?它应该是由大趋势创造的半导体硬件需求来驱动,在未来不断增长的8种应用中,将会使用9种主要半导体器件,当然还要满足相应应用所需封装的不同工艺要求。

半导体封装的机会

随着终端消费市场要求智能手机及智能穿戴设备越来越小型化,以及5G、云端、人工智能等技术的深入发展,芯片需要有更高的I/O密度,同时降低封装厚度。芯片只有轻薄短小和更低功耗,才能为应用提供更好的的功能和效能。


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