先进封装指通过应用创新的结构设计、互联技术、材料及设备,实现工艺複杂性的一种封装解决方案,有助于实现半导体的更高集成度、更佳性能、更小尺寸、更低功耗及更高可靠性。在摩尔定律放缓的背景下,先进封装不仅是半导体制造的关键后制工艺,亦是持续提升半导体性能,满足下游产业複杂应用需求的核心技术路径。
半导体先进封装的分类
由于不同半导体产品在电气性能、尺寸、应用场景等因素上存在差异,导致其封装形式多样且複杂。根据是否有封装基板及封装基板的材料,半导体封装产品可分为无封装基板、有机封装基板 、引线框架封装基板类别。其中,每个类别均有不同的封装技术。
WLP(扇出型)....在扇出型WLP中,切割后的芯片安装在临时载体上,并用模塑料封装,形成重组晶圆。其后,制造重装线将I/O接垫延伸至芯片以外的区域,以达到更大的封装表面。不需要基板,焊球直接形成在重组晶圆上。这种结构打破了裸片面积的限制,可实现更高的I/O密度、更灵活的佈局以及具有高密度互连的多芯片异构集成。
BGA ....... BGA封装使用衬底作为中介层。芯片通过打线或倒装焊接与基板互连。焊球在基板底部呈阵列排列,通过回流焊接提供与外部电路(如印刷电路板)的电气和机械连接。这种结构非常适合具有高引脚数的器件。
LGA ....... LGA封装亦採用衬底作为中介层,通过打线或倒装芯片方式连接芯片。在基板底部放置一网格金属焊盘,实现与外部电路(如PCB)的电气连接。LGA提供高集成密度、紧凑的外形尺寸和出色的设计灵活性。
FC-QFN .... FC-QFN利用金属引线框架作为互连介质。芯片透过倒装焊接安装于框架上,且框架底部的扁平焊盘可实现与印刷电路板或其他电路的电连接。该封装具有成本低、可靠性高及热性能好的特点。
2.5D ....... 2.5D集成使用中介层(通常包含硅通孔(TSV)、玻璃通孔(TGV)或有机RDL中介层)作为互连桥,以并排集成多个管芯。同质或异质芯片通过中介层内的超密集佈线实现高速通信,中介层随后连接到基板。此方法可实现极高的互连密度和带宽,而无需垂直堆叠管芯。
3D......... 3 D封装使用硅通孔(TSV)、微凸块和高级键合技术(如TCB(热压键合)或混合键合)垂直堆叠多个管芯。这实现了堆叠管芯之间的直接电连接,大幅缩短互连路径,并提高了集成密度以及数据传输效率。
半导体先进封装的优点介绍
传统封装:其主要功能是半导体保护、尺寸放大和电连接。其通过打线等方法将芯片与外部电路连接起来,并提供机械保护和散热。
先进封装:在传统封装的基础上,增加了提高功能密度、缩短互联长度、进行系统改造的功能。其可在不依赖于芯片制造工艺的突破的情况下增加产品集成度及功能多样化。
全球及中国半导体先进封装测试市场规模
受通讯、消费电子、高效能运算及人工智能领域对高整合度及低功耗芯片的需求带动,先进半导体封装与测试产业市场规模迅在倒装芯片键合、晶圆级封装及2.5D/3D封装等技术的支持下迅速增长,成为半导体产业链中增长速度领先的细分领域之一。全球市场规模由2020年的人民币2,141亿元增长至2024年的人民币3,124亿元,複合年增长率为9.9%。
未来五年,随著摩尔定律放缓,先进封装与测试作为提升芯片效能的核心路径,将进一步受益于自动驾驶、数据中心、高效能电脑及智慧穿戴装置的普及,以及前沿封装与测试技术的日益成熟,并将持续维持稳健的增长势头,市场规模预计稳步扩张。预计于2025年,全球先进封装与测试市场将首次超越传统封装,在整体封装与测试市场的佔比超过50%。
到2029年,全球先进封装市场规模预计将达人民币5,244亿元,2024年至2029年的複合年增长率为10.9%。相较附加价值相对较低且市场已趋饱和的传统封装,先进封装具备技术门槛高及供应稀缺的特点。其单价及需求增速均显著较高,使得其市场规模增速在长远而言将超越整体封装与测试产业。中国市场表现亮眼。
尽管中国在先进封装与测试技术方面仍落后于部分海外市场,但中国企业已积极投入到先进封装与测试技术及产能规模,以满足快速增长的下游需求。中国先进封装与测试市场规模于2024年已增至人民币967亿元,2020年至2024年的複合年增长率为13.3%。预计到2029年,相关市场规模将进一步增长至人民币1,888亿元,複合年增长率为14.3%,显著高于全球平均增速。
半导体先进封装测试市场趋势
• 封装板块在产业链中的崛起地位。随著半导体工艺技术接近物理极限,通过缩小晶体管来提高性能已变得成本过高。然而,先进封装技术可提升性能并实现系统级集成而不依赖先进工艺,推动其在产业链中的价值不断增长。现在,越来越多的企业在先进封装方面投入巨资(由单纯的芯片保护 ╱ 连接纽带转变为提升竞争力和差异化的关键手段),以满足新兴的半导体需求。
• 先进封装技术进一步迈向高性能及小型化。随著终端应用需要更好的电子产品性能和更小的尺寸,先进封装╱测试技术不可避免地向高性能及小型化方向发展。例如,2.5D/3D封装使用硅中介层或硅通孔(TSV)进行垂直芯片互连,显著提高集成度和信号速度,以服务于人工智能和数据中心芯片等高计算场景。同时,晶圆级封装(WLP)缩小尺寸和佔用空间,非常适合智能手机和可穿戴设备等消费电子产品。这一趋势将加深,以打破现有的技术瓶颈。
• 先进封装测试加速本土化趋势。在国际贸易环境变化及中国对自主发展半导体需求的推动下,先进封装╱测试的本地化趋势日益明显。国内企业在先进封装技术方面已取得持续突破;在设备方面,儘管高端领域本地化率仍然较低,惟国内制造商正加紧研发投入,部分产品已实现国产替代。随著研发、人才培养及资本投入进一步加大,本地化进程将持续加快。
半导体先进封装测试市场的驱动因素
• 高性能记忆体。数据量的爆炸性增长及AI对高频宽的需求推动了储存封装的升级。3D NAND透过TSV(硅通孔)技术突破堆叠层数限制,以提升储存容量;HBM(高频宽记忆体)共封装朝HBM3/HBM3e方向演进,以降低数据传输延迟。配合热管理工艺,满足AI场景下的高速读写需求。
• 数据中心和高性能计算(HPC)。在数据中心流量指数增长的背景下,对算力和数据传输效率的需求共同推动了先进封装的创新。在计算方面,AI大型模型及HPC对更高算力及能效的需求,导致先进的封装通过芯粒异构集成集成多个小芯片,在提高计算密度的同时通过热管理解决热量问题。光电方面,为适应高速光模块的发展,採用先进封装优化光电器件与芯片的协同工艺。扇出和TSV等技术减少了光电接口信号损耗,使计算芯片和光器件无缝协同,满足数据中心的超低时延和高带宽需求。
• 汽车电子。智能驾驶的升级和V2X(车联网)的普及,要求汽车芯片具备高集成度和高可靠性。先进封装採用耐温、抗振材料和SiP(系统级封装)技术,集成多款芯片,并增强EMC(电磁兼容性)设计,确保在複杂汽车环境下稳定运行。
• 消费电子。随著终端设备朝更薄、更轻、低功耗方向升级,WLP(包括扇入及扇出型)技术得以缩小封装体积。同时,异质整合被用于整合多个模组,平衡功耗与功能丰富度,以适应摺叠萤幕及AR/VR(增强现实╱虚拟现实)产品等设备需求。
• 工业电子。工业互联网推动芯片向高算力、高稳定性转型。先进封装採用高可靠互联工艺和保护材料,通过2.5D/3D封装提高集成度。支持数据实时处理,满足工业设备长期稳定运行需求。