2023年半导体封装行业研究：先进封装引领未来，上游设备材料持续受益

1.1 封装技术历经 5 大发展阶段，技术逐步成熟完善

半导体产业链中，Fabless 模式下产业分工明确，按照设计-制造-封测的上中下游模式进行分 工协作，设计公司通常完成电路、版图设计等，晶圆代工企业负责晶圆加工，封测代工企业 进行晶圆切割、芯片封装及测试等工作。最终将芯片成品交付终端用户，下游应用包括消费 电子、汽车、通信、工业、航空航天等领域。

半导体封装是指对通过测试的晶圆进行划片、装片、键合、塑封、电镀，切筋成型等一系列 加工工序，从而得到具有一定功能的半导体产品的过程，封测环节使得芯片能够可靠、稳定 的进行工作。封装技术的好坏直接影响到芯片能否正常使用，衡量封装技术先进与否的重要 指标是芯片面积与封装面积之比，比值越接近 1 越好。封测产业链中，上游主要包括封测设 备和封装材料，中游为封测厂商，下游为 Fabless 厂商等。

封装开发流程方面，开始芯片设计和封装设计开发会同步进行，以便对特性进行整体优化。封装部门进行可行性研究，包括对封装设计进行粗略测试，从而对便于对电气、热和结构进 行评估分析，避免在量产阶段出现问题，之后会进行封装制造和特性及可靠性试验。

封装工艺过程较为复杂，先后要经过多个步骤，整个工艺流程包括来料检查-贴膜-磨片-贴片 -划片-装片-键合-塑封-去毛刺、电镀-切筋打弯-品质检验-产品出货，每个工艺步骤都不可或 缺。

半导体封装的作用主要是通过将芯片和器件密封在环氧树脂模塑料（EMC）等封装材料中， 保护它们免受物理性和化学性损坏，核心包括机械连接、机械保护、电气连接和散热四项主 要作用。

封装技术的发展始终伴随着用户对产品需求的不变升级而迭代，从技术角度看，散热、小型 化、低成本、高可靠性、堆叠、高速信号传输是封装技术发展趋势。散热方面采用热传导性 能较好的材料和可有效散热的封装结构；小型化可以压缩封装体积，给其他物料如电池、摄 像头留出更多空间；由于封装会限制芯片的速度，可支持高速电信号传输的封装技术也成为 了一种重要发展趋势，从而提高传输速度；三维堆叠技术则能够实现在一个封装外壳内堆叠 多个芯片。

全球集成电路封装技术一共经历了五个发展阶段。第一阶段为 20 世纪 70 年代以前，采用通 孔插转型封装；第二阶段为 20 世纪 80 年代以后，采用表面贴装型封装；目前全球封装的主 流技术处于以球栅阵列封装（BGA）、芯片级封装（CSP）为主的第三阶段，并在逐步向以三 维立体封装（3D）、系统级封装（SiP）、倒装焊封装（FC）、芯片上制作凸点（Bumping）、 硅通孔（TSV）、扇出型（Fan-Out）、扇入型（Fan-in）为代表的第四、第五阶段技术迭代升 级。

封装一般分为 4 级： Level 0：零级封装，完成晶圆制造，将晶圆切割为裸芯片，裸芯片电极的制作、引线的连接 等均在硅片之上完成； Level 1：1 级封装，芯片级封装，将芯片封装在封装基板或引线框架内，完成密封保护和电 路连线； Level 2：2 级封装，电子装联，将封装好的芯片组合在电路板上； Level 3：3 级封装，电子整机系统，将数个电路板组合在母板上或者将数个子系统组合为完 整的电子产品。

半导体封装的分类方式多样，按照材料分类，可以分为金属封装、陶瓷封装、-金属-陶瓷封装 和塑料封装，其中塑料封装占全球集成电路市场的 95%以上。 按照形状分类，可以分为引脚插入型、表面贴装型和高密度封装。 按照封装中组合集成电路芯片的数目分类，可以分为单芯片封装和多芯片封装。 按照引脚分布形态分类，可以分为单边引脚封装、双边引脚封装、四边引脚封装和底部引脚 封装。

1.2 后摩尔定律时代，先进封装有望大放异彩

随着摩尔定律日渐趋缓，芯片先进制程提升的速度放慢，在后摩尔定律时代，先进封装成为 提升系统整体性能的重要突破口，行业开始由之前的“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的重点方向。 传统封装的功能主要在于保护芯片、电气连接，先进封装则在此基础上增加了提升功能密度、 缩短互联长度、进行系统重构三项新功能。先进封装是在不考虑提升芯片制程的情况下，努 力实现芯片体积的微型化、高密度集成，同时降低成本，这种技术的提升符合高端芯片向更 小尺寸、更高性能、更低功耗方向演进的趋势。

传统封装，是通常先将圆片切割成单个芯片，再进行封装的工艺形式。主要包括 DIP、SOP、 TO、LCC、QFP、WB BGA 等封装形式，先进封装是指处于最前沿的封装形式和技术，主要 包括 FC（倒装芯片）、WLP（晶圆级封装）、2.5D 封装、3D 封装、SiP（系统级封装）等。

先进封装主要朝 2 个方向发展，第 1 是向上游晶圆制程领域发展（晶圆级封装），直接在晶 圆上实施封装工艺，主要技术有 Bumping、TSV、Fan-out、Fan-in 等；第 2 是向下游模组 领域发展（系统级封装），将处理器、存储等芯片以及电容、电阻等集成为一颗芯片，压缩模 块体积，提升芯片系统整体功能性和灵活性，主要技术包括采用了倒装技术（FC）的系统级 封装产品。

2.1 全球封装市场主要由中国台湾及中国大陆厂商主导

全球半导体行业市场规模在过去 20 年实现了整体较为稳定的正增长，根据 Gartner 和 McKinsey 数据，2002-2005 年，主要依靠笔记本电脑、台式电脑、功能机拉动，2006-2010年，主要依靠游戏、音频等拉动，2011-2019 年主要依靠智能机、数据中心拉动，2020 年之 后，在 AI、智能化时代，半导体行业有望继续保持正增长。

受益于半导体行业整体增长，半导体封测市场也有望保持稳定增长。根据 Yole 数据，2 017- 2022 年全球半导体封测市场规模从 533 亿美元增长到 815 亿美元，预计 2023 年将达到 822 亿美元，2026 年将达到 961 亿美元。

中国作为全球最大的半导体消费市场，封测行业市场规模与全球规模保持基本同步。根据中 国半导体行业协会数据，2015-2022 年中国半导体封测市场规模从 1384 亿元增长到 2995 亿 元，预计 2023 年将达到 2807.1 亿元，2026 年将达到 3248.4 亿元。

行业竞争格局方面，根据芯思想研究院数据，2022 年全球委外封测（OSAT）厂商 Top10 合 计占比 77.98%，基本被中国台湾和中国大陆厂商包揽。其中日月光占比 27.11%，排名第 1； 安靠占比 14.08%，排名第 2；中国大陆厂商长电科技/通富微电/华天科技/智路封测分列第 3/4/6/7 名，占比分别为 10.71%/6.51%/3.85%/3.48%。 根据 Yole 数据，2021 年中国大陆委外封测厂商中，长电科技占比 49%，排名第 1；通富微 电占比 20%，排名第 2；华天科技占比 16%，排名第 3。

按区域分，全球封测市场中，中国台湾占比 44%，排名第 1；中国大陆占比 20%，排名第 2； 美国占比 15%，排名第 3。中国是全球封测行业重心。

2.2 全球先进封装占比逐步增加，2026 年有望超过 50%

对比先进封装和先进制程技术水平，二者的工艺制程有着明显不同。先进制程方面，台积电、 三星领先全球，英特尔也在奋力追赶，目前全球先进制程水平已经达到 4nm，未来还将继续 向 3nm、2nm 迈进。先进封装方面，不同封装技术有所不同，有的几十μm，有的上百μm， 甚至一些新技术未来将做到几μm，但是整体而言，先进封装尺寸仍处于μm 级水平。

回顾全球封装市场结构，根据 Yole 数据，先进封装占比有 2014 年的 38%提升到了 2022 年 的 47.2%，占比逐步提升，展望未来，随着先进制程进步放缓，先进封装作用将越来越重要， 因此，先进封装未来占比将越来越大，封装技术将继续向小型化、集成化、低功耗方向发展， 在新兴市场的带动下，附加值更高的先进封装将得到越来越多的应用，预计 2023 年先进封 装占比将达到 48.8%，2026 年将首次超过传统封装，占比达到 50.2%。

根据集微咨询数据，中国半导体封装市场结构中，先进封装占比低于全球水平，但整体趋势 方面，先进封装占比一直在提升，从 2014 年的 25%提升到 2022 年的 38%，预计 2023 年 将达到 39%。

受益于半导体封装规模增长以及先进封装占比提升，全球半导体先进封装市场规模稳步提升， 根据 Yole 数据，2019-2022 年，市场规模由 290 亿美元增长到 378 亿美元，预计 2023 年 将达到 408 亿美元，2026 年将达到 482 亿美元。 根据中国半导体行业协会和集微咨询数据，2015-2022 年，中国先进封装市场规模由 3 87.5 亿元增长到 1138.1 亿元，预计 2023 年将达到 1094.8 亿元。

先进封装厂商主要以中国台湾、中国大陆、美国厂商为主，根据 Yole 数据，按收入规模排名， 2022 年全球先进封装厂商包括日月光、安靠、英特尔、台积电、长电科技、三星、通富微电 等，2022 年中国先进封装厂商包括长电科技、通富微电、华天科技等。

近年来，中国大陆厂商通过并购，快速积累先进封装技术，目前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，根据观研天下数据，从 2015 年的 10.3% 增长至 2021 年的 15.7%，预计未来占比有望进一步提高。

资本开支方面，2022 年全球先进封装厂商中，英特尔为 47.5 亿美元，占比 32%，排名第 1； 台积电为 40 亿美元，占比 27%，排名第 2；日月光为 20 亿美元，占比 13%，排名第 3。

2.3 摩尔定律放缓及 AI 新需求带动下，龙头企业重点布局 Chiplet、 CoWoS 等新技术

先进封装各细分技术方向中，2022 年扇出（Fan-out）/晶圆级芯片封装（WLCSP）/倒装（Fli pChip）/3D 堆叠封装/嵌入式芯片封装（ED）市场规模分别为 22.05/26.98/290.94/38.33/0.78 亿美元，预计 2023 年分别为 25.60/28.19/307.07/48.24/0.92 亿美元，预计 2026 年分别为 34.73/31.25/340.32/73.67/1.89 亿美元。倒装（Flip-Chip）规模最大，嵌入式芯片封装（E D） 和 3D 堆叠封装增速最快，2020-2026 年 CAGR 分别为 25%和 24%。

先进封装技术广泛应用于各类芯片和下游应用中，根据 Yole 数据，下游应用包括人工智能、 智能汽车、AR/VR、高性能计算、物联网、5G、智能手机、区块链等，芯片包括 CPU/GP U、 MCU、ASIC、FPGA、存储、传感器、模拟芯片、光电子等。

后摩尔定律时代的 Chiplet 已成为重要方向，Chiplet 通常被翻译为“粒芯”或“小芯片”，即为“粒 度更小的芯片”。通过将原来集成于同一芯片中的各个元件分拆，独立为多个具特定功能的小 芯片，分开制造后再透过先进封装技术将彼此互联，最终集成封装为系统芯片组。在摩尔定 律放缓，高性能计算的设计成本、风险和设计时间不断攀升的前提下，Chiplet 技术是“后摩 尔时代”集成电路技术发展的最优解。这种方式可以使得芯片中的各个功能模块与最合适的 工艺制程相匹配，从而实现最优的性价比，在设计端降低了复杂度和成本、在制造端降低了 成本并且提升了良率，同时大幅缩减芯片设计迭代的周期和风险。 根据 Omdia 数据，全球 2018 年 Chiplet 处理器芯片市场规模为 6.45 亿美元，2024 年将达 到 58 亿美元，2035 年将达到 570 亿美元。 随着 AMD 和英特尔等企业将 Chiplet 技术商业化落地，这也开启了 IP 的新型复用模式，即 硅片级别的 IP 复用，新的模式为 IP 厂商，尤其是具备设计能力的 IP 厂商，拓展了商业灵活 性和发展空间。

采用 Chiplet 技术的优势在于：1）芯片可分解成特定模块。这可使单个芯片变得更小并可选 择合适的工艺，以提高工艺良率，摆脱制造工艺的限制，降低成本；2）Chiplet 小芯片可被 视为固定模块，并可在不同产品中进行复用，具有较高的灵活性。这不仅可以加快芯片的迭 代速度，还能提高芯片的可扩展性；3）Chiplet 可以集成多核，能够满足高效能运算处理器 的需求；4）相较于更先进的半导体工艺制程，Chiplet 的综合成本更低，收益更高。

目前行业包括 Intel、AMD、Marvell 等在内的众多厂商都在积极开展 Chiplet 技术布局，相关 产业生态链也在逐步完善中。2022 年 3 月，Intel 牵头并联合高通、ARM、AMD、台积电、 日月光、三星、微软、谷歌云、Meta 共 10 大行业巨头联合成立了 Chiplet 标准联盟，正式 推出了通用 Chiplet 的高速互联标准“Universal Chiplet Interconnect Express”（通用小芯片 互连，简称“UCIe”），旨在定义一个开放的、可互操作的 Chiplet 生态系统标准。此标准实现 了互连接口标准的统一，使不同芯片都可以通过统一的协议互连互通，大幅改善了 Chipl et 技 术生态。 UCIe 自成立以来，已有数十家包含 IC 设计、封测、材料设备、电子设计自动化系统等不同 类型的业者纷纷加入，显示 Chiplet 先进封装的跨领域特性。

Intel 作为 Chiplet 联盟的牵头人，推出了自己的开放式 Chiplet 封装平台，此外联盟目前已提 供了数个 Chiplet 封装可用的架构，包括标准 2D 封装架构及 2.5D 封装架构，预计未来还将 推出 3D 封装架构。

Chiplet 技术发展的基础是先进封装。要将多颗芯片高效地整合起来，必须采用先进封装技术。 在芯片尺寸不断增大、架构变得复杂的情况下，封装结构由原先的二维发展至三维。按封装介质材料和封装工艺划分，Chiplet 的实现方式主要包括以下几种：MCM、2.5D 封装、3D 封 装。 MCM 封装是指通过引线键合、倒装芯片技术在有机基板上进行高密度连接的封装技术。引 线键合与框架封装一般用于 I/O 数目较少、对信号速率要求较低的情况，而倒装芯片技术可 以支持更高的信号速率、更短的信号传输路径。封装尺寸可以达到 110mm×110mm，线宽/间 距一般为 9μm/12μm。

2.5D 封装是指在 Chiplet 芯片之间通过中介层（转接板）进行高密度 I/O 互连的封装，其特 点是多 Die 集成和高密度性，具体装又分为重布线层（RDL）Interposer 和 Si Interposer。 RDL Interposer 封装通过 RDL 在晶圆级上使多个芯片完成电性连接，可以将芯片与芯片之 间的距离变得更小，使信号线宽和间距大幅度降低，提高了单位面积的信号密度，信号线宽 /线距最小可达到 2μm/2μm。Si Interposer 技术是基于硅工艺的传统 2.5D 封装技术， 通过 在基板和裸片之间放置额外的硅层，可以实现裸片间的互连通信，信号线宽/线距最小可以做 到 0.4μm/0.4μm。 3D 封装是指在 2.5D 封装技术的基础上为了进一步压缩 bump 密度，直接在晶圆上通过硅穿 孔实现连接的一种封装技术，二者的主要区别是 2.5D 封装是在 Interposer 上进行布线和打 孔，而 3D 封装是直接在芯片上打孔和布线，电气连接上下层芯片。目前 3D 封装主要采用 Wafer on Wafer、Chip on Wafer 的混合键合技术。该方法能够实现的最小键合距离为 9μm， 芯片厚度可以薄至 20~30μm。

在芯片堆叠密度增长及多芯片整合的需求下，大厂纷纷投入先进封装技术的发展。其中台积 电、三星、Intel 三大晶圆制造大厂通过将其先进制程技术所产出的芯片配合自家先进封装， 来完成客户产品；而全球封测龙头日月光择时从自身封装技术出发，逐步发展出 2.5D 及 3D 先进封装技术。整体而言，台积电目前处于领先地位，从 2.5D 到 3D 封装都有相当完整的技 术，公司旗下 3D Fabric 平台拥有 CoWoS、InFO 和 SoIC 三种封装工艺，三星则拥有 I-Cube、 H-Cube 和 X-Cube 技术，Intel 的 EMIB 及 Foveros 技术也逐渐形成了一个平台。I-Cube、 EMIB 是类似于 CoWoS 的 2.5D 方案，X-Cube、Foveros 是类似于 SoIC 的 3D 方案。

先进封装技术水平高，因此大厂也投入高资本开支用于新技术的研发量产。根据 MIC 数据， 2022年Intel 先进封装资本开支为30-40 亿美元，台积电先进封装资本开支为 25-35 亿美元， 三星先进封装资本开支为 10-20 亿美元，日月光先进封装资本开支为 15-25 亿美元，各大厂 资本开支主要用于 2.5D 和 3D 封装技术发展。

2023 年，在以 ChatGPT 为代表的 AIGC 驱动下，英伟达、AMD 的 GPU、CPU 等需求大幅 增加，这些芯片大多采用了台积电的 CoWoS 封装，同时亚马逊 AWS、博通、思科和赛灵思 等公司也都提高了对台积电的产能需求，CoWoS 先进封装产能告急，台积电未来将扩大产 能满足客户需求。

中国封测厂商亦在发力先进封装，根据《上海集成电路产业发展研究报告》，2022 年中国大 陆封测企业 Top10 中，长电科技、通富微电、华天科技包揽前 3 名，长电科技的先进封装主 要有 SiP、WL-CSP、FC、eWLB、PiP、PoP、2.5D、3D，同时 XDFOI™ Chiplet 高密度多 维异构集成系列工艺已按计划进入稳定量产阶段，同步实现国际客户 4nm 节点多芯片系统 集成封装产品出货。通富微电在 WLP、SiP、Fanout、2.5D、3D 堆叠等先进封装技术方面 均有布局和储备，拥有多样化 Chiplet 封装解决方案，已具备 7nm、5nm、FCBGA、Chiplet 等先进技术优势。华天科技则已掌握了 SiP、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP、3D 等 集成电路先进封装技术，具备 5nm 芯片的封装技术，Chiplet 封装技术已经量产。

从各大厂商先进封装业务占比来看，甬矽电子占比 100%，通富微电、华天科技、长电科技 占比分别为 75%、70%和 65%，智路占比>50%。先进封装无论是在技术壁垒、还是利润贡 献上都优于传统封装，因此头部企业优先布局或转型先进封装业务，不仅符合未来封装业发 展方向，同时也有助于公司保持核心竞争力。

封装工艺上游核心环节包括设备和材料，设备和材料决定了封装工艺能否顺利完成。封装过 程主要包括背面减薄、晶圆切割、贴片、引线键合、模塑和切筋/成型，需用到减薄机、划片 机、固晶机、烤箱、引线键合机、注塑机以及切筋/成型设备等。封装结束后做最后的成品测 试，主要用到测试机、探针台、分选机等。测试合格后的芯片将被应用于消费电子、IoT、汽 车电子、工控、医疗、通信等各下游领域。

全球半导体封装设备市场规模整体保持向上趋势，根据 SEMI 数据，2022 年市场规模为 57.8 亿美元，2023 年由于消费电子等下游需求不足，预计市场规模将下降至 45.9 亿美元，随着 2024 年市场需求回暖，预计 2024 年将达到 53.4 亿美元。

各类封装设备中，划片机（切割机）、固晶机（贴片机）、引线键合机最为重要，占封装设备 整体规模占比分别为 28%、30%和 23%，此外，塑封机&电镀机占比 18%，其他设备合计占 比 1%。

根据华经产业研究院数据，2021 年中国大陆主要封装设备国产化率仍然偏低，其中划片机、 固晶机、引线键合机均为 3%，国产替代需求迫切。

3.1 划片机：金刚石切割为主流，日本厂商占据 90%份额

晶圆划片机，又称切割机（Dicing Equipment），是一种使用刀片或激光方式切割芯片的高精 度设备，主要用于半导体后道封测中晶圆切割和 WLP 切割环节，切割的质量与效率会直接 影响芯片的封装质量和成本。下游应用包括 IC、分立器件、传感器、光电器件等多种半导体 产品。 晶圆划片主要分为刀片切割和激光切割两种，刀片切割是最为广泛使用的切割工艺，占整体 划片市场份额的 80%，主要用于切割较厚的晶圆（>100μm），具有效率高、成本低、使用寿 命长等优势，预计刀片切割在未来较长时期内仍将是主流方式，其中金刚石切割是主流刀片 技术。激光切割属于非接触式加工，占整体划片市场份额的 20%，主要用于切割较薄的晶圆 （