先进封装工艺与设备研究分析报告：大势所趋国产设备空间广阔

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告

｜先进封装大势所趋，国产设备空间广阔——先进封装工艺与设备研究2

0

2

2

.

8核心观点：

先进封装简介：方向明确，景气向上。

后摩尔时代的选择：受物理极限制约和成本巨额上升影响，行业进入“后摩尔时代”，行业从过去着力于晶圆制造技术节点的推进，逐渐转向封装技术的创新。先进封装技术不仅可以提升功能、提高产品价值，还能有效降低成本，成为延续摩尔定律的重要路径；

我国半导体产业突破封锁的重要方式：半导体是中国卡问题，先进封装可在现有技术节点下，进一步提升芯片性能，是国内半导体企业突破封锁的重要方式；

先进封装市场增速更为显著：根据Yole数据，2021年全球先进封装全球市场规模约

350

亿美元，预计到

2025

年先进封装的全球市场规模将达到

420

亿美元。2019-2025

年全球先进封装市场的CAGR约

8%。相比同期整体封装市场(CAGR=5%)和传统封装市场，先进封装市场增速高。

先进封装工艺与设备详解。

先进封装工艺：倒装焊(Flip

Chip)、

晶圆级封装(WLP)

、2.5D封装（Interposer）

、3D封装(TSV)、Chiplet等；

先进封装增加设备需求：①封装设备需求增加：例如研磨设备增加（晶圆需要做的更薄）、切割设备需求增加、固晶设备（Die

Bond要求更高）；②新设备需求：如凸块（bump）工艺涉及到曝光、回流焊等设备等。

受益标的：新益昌、光力科技、德龙激光等。

风险提示：先进封装行业发展不及预期；半导体行业景气度下降的风险；国内企业技术进步不及预期的风险；研报使用信息更新不及时的风险。2目

录一、先进封装简介：方向明确，景气向上二、先进封装工艺与设备详解三、受益标的四、风险提示31.1摩尔定律逼近极限，先进封装应运而生

封装是指将生产加工后的晶圆进行切割、焊线塑封，使电路与外部器件实现连接，并为半导体产品提供机械保护，使其免受物理、化学等环境因素损失的工艺。

半导体封装技术发展历程：

第一阶段（20世纪70年代之前）通孔插装时代：典型的封装形式包括最初的金属圆形(TO型)封装、双列直插封装(DIP)等；

第二阶段（20世纪80年代以后）表面贴装时代：从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变，从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展;

第三阶段（20世纪90年代以后）面积阵列封装时代：从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展，引线技术从金属引线向微型段焊球方向发展。图表1：半导体封装技术演进路径4：Yole，中泰证券研究所1.1摩尔定律逼近极限，先进封装应运而生

物理极限将制约芯片制程发展，摩尔定律成长速度放缓。

物理极限：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；

成本：工艺节点较高时，每次提升都会带来成本的非线性增加。图表2：晶体管密度逐步逼近极限图表3：制程节点与成本的关系：Wikichip，中泰证券研究所：AMD，中泰证券研究所51.1摩尔定律逼近极限，先进封装应运而生先进封装应运而生：在“后摩尔时代”，行业从过去着力于晶圆制造技术节点的推进，逐渐转向封装技术的创新。先进封装技术不仅可以增加功能、提升产品价值，还能有效降低成本，成为延续摩尔定律的重要路径。先进封装定义：采用了先进的设计思路和先进的集成工艺，对芯片进行封装级重构，并且能有效提系统高功能密度的封装技术。现阶段先进封装主要是指倒装焊(Flip

Chip)、

晶圆级封装(WLP)

、2.5D封装（Interposer）

、3D封装(TSV)等。图表4：主流芯片制造公司制程发展路径6：Yole，中泰证券研究所1.1摩尔定律逼近极限，先进封装应运而生先进封装优势：大幅节约成本、良率大幅提升、芯片集成度高先进封装发展趋势：Bump越来越小、RDL越来越细、TSV越来越密、Wafer越来越大图表5：先进封装四要素图表6：半导体封装技术演进路径硅通孔技术再布线技术精密：CEIA电子制造，Cadence，中泰证券研究所71.2先进封装是国内半导体产业突破封锁的重要方式先进封装是国内半导体产业突破封锁的重要方式：半导体是中国卡问题，美国遏制中国发展先进技术的政策，长期不会改变。先进封装可在现有技术节点下，进一步提升芯片性能，是国内半导体企业突破封锁的重要方式。图表7：美国对中国半导体限制相关新闻8：公开资料整理，中泰证券研究所1.2先进封装是国内半导体产业突破封锁的现实选择美国对中芯片贸易政策日渐升级。图表8：美国对中国半导体政策限制时间美国对中国半导体限制措施美国总统科学技术咨询委员会发布《确保美国半导体的领导地位》报告，将中国半导体发展列为威胁美国针对半号体领域对中国重启301调查2017年1月2017年8月2017年11月

美国外商投资委员会(CFIUS)阻挠中国半导体海外并购1、美国五角大楼禁止美国军事基地使用政府机构使用

的设备产品特朗普签署

2019财年国防授权法案，强化

CFIUS审查海外投资能力，限制政府采购1、英国电信表示其

5G网络建设将不再使用

设备，并且移除

4G网络中的

设备

2、加拿大当局称嫌违反美国对伊朗的贸易制裁禁令，于

12月

6日在加拿1、禁令第一阶段：美国商务部工业和安全局（BIS）于

2019年

5月

15日以国家安全为由，将和的设备产品；

2、美国众议院通过

2019财年国防授权法案，禁止美国联邦2018年5月2018年8月2018年12月和、、海康等企业的设备产品的

CFO孟涉捕与其

70家附属公司列入手机的安卓系统更新；3、

5月

22日，22Arm停止与

的合2019年5月出口作“实体清单”；2、

5月

19日，谷歌准备停止2019年8月

1、美国商务部在

“实体清单”中新增

46家的子公司；2、

美国延长对的禁令

90天至

11月的禁令90天至

2020年

2月2019年11月

美国联邦通信委员会禁止美国农村地区运营商使用通用服务基金购买设备，再次延长对2019年12月

美国众议院通过两党安全与可信通信网络法案，禁止政府购买的设备产品1、美国法院判决国会有权禁止联邦机构从商的美国专利比例限制从

25%降低至

10%的提案购买产品；

2、美国再次延长对的禁令

45天；

3、美国政府审议供货供2020年2月2020年3月1、美国国家安全委员会、国务院、国防部、能源部和商务部等多个机构已商定同意采取新的措施，禁止台积电等企业向应芯片和设备；

2、美国再次延长对

的禁令至

4

月

22日特朗普签署法案禁止美国农村电信运营商利用美国政府补贴购买美国禁制“军民两用”产品未经审查出口中国，以防中国获取半导体等技术禁令第二阶段：美国商务部工业和安全局（BIS）于

2020年

5月

15日宣布，基于保护美国的国家安全，将限制技术和软件在国外设计和制造其半导体的能力；美国再次延长对

的禁令

90天2020年3月2020年4月和的网络设备使用美国2020年5月9：中美战略竞争下两岸半导体产业发展研究，中泰证券研究所1.2先进封装是国内半导体产业突破封锁的现实选择图表8：美国对中国半导体政策限制（续）时间美国对中国半导体限制措施针对美国对于的出口禁令，台积电在

16日投资者电话会议上，首度对外表示，5月

15日已停止接受的新订单，除非美国核2020年6月2020年7月2020年8月准，台积电预计在

9月

14日停止对英国政府宣布将从

2021年起禁止英国移动运营商购买新的禁令第三阶段：伴随着

的临时性通用许可证到期，美国商务部工业和安全局（BIS）宣布进一步限制另外的

38家关联公司加入实体清单出货产品，2027年前在英国网络中撤除所有产品进入美国技术领域，将2020年12月

美国商务部工业与安全局宣布，将等多家技术公司列入美国出口的“实体清单”发布《美国芯片法案》要求购买半导体制造设备与相关投资可获得税务减免，井要求联邦拨款100亿美元鼓励半导体美国制造。成立“国家半导体技术中心”，鼓励国防部、能源部扩大半导体投资。美国将七家中国超级计算机公司列入实体清单2021年1月2021年4月2021年5月美国圹大投资黑名单，将、等59家中企列入美国商务部、能源部、国防部、卫生与公共服务部联合发布了《建立供给链弹性、振兴美国制造、促进广泛增长评估报告》(以下简称《供应链报告》)，指出美国半导体等四个关键领域的供应链存在漏洞和风险，例如美国半导体产业当前缺少晶圆生产厂，半导体材料依赖韩国和中国（含台湾）的进口等，明确提出会过500亿美元专项投资，为美国的半导体制造和研发提供专项资金。2021年6月2021年9月

以应对全球芯片危机为借口，向英特尔、三星、台积电等半导体企业强索客户信息、供货周期、芯片库存等核心商业数据。2021年10月

美国参议院投票通过《安全设备法案》，加强对、

限制2021年11月

晶盛机电海外收购案被意大利政府否决；英特尔成都厂扩产计划因美国政府反对而取消美国禁止韩国存储芯片企业SK海力士在华工厂引进艾司摩尔EUV光刻机，因为此举会“助力中国军事现代化”；美国考虑进一步加强对2021年12月的设备出口禁令；美国商务部将中国的GPU龙头景嘉微、亚成微、爱信诺航芯、海康微影等34家实体加入实体清单；美国CFUS否决智路资本14亿美元收购美格纳；中国台湾将出台政策，限制半导体业务出售给大陆美国众议院通过《2022年美国竞争法》，注资半导体产业520亿美元2022年2月2022年5月美国晶片加工补助法案附加条件，限制受补助的美企前往中国投资；美商务部拟针对华虹半导体、长鑫存赌、长江存储等企业限制出口2022年7月14日

美国游说荷兰禁止ASML向中国销售晶片制造设备；美国审查对中出口部份半导体政策，防止先进技术流出2022年7月19日

美方推动“美国晶片法案”过关，规定晶片厂若获美补助十年内禁止扩大在中国投资2022年7月28日

参众两院先后通过总规模2,800亿美元的《晶片与科学法案》2022年7月29日

美日双方同意为次世代晶片设立国际半导体研究中心，建构安全晶片供应链2022年7月30日

美方禁止美国业者出售14纳米以下的半导体设备对象甚至包括在中国投资的外企2022年8月3日

美国准备对用于设计半导体的特定类型EDA软件实施新的出口限制，以减缓中国制造先进芯片的能力10：中美战略竞争下两岸半导体产业发展研究，中泰证券研究所1.3先进封装市场规模有望持续增长

先进封装市场规模：据

Yole

数据，2021

年全球封装市场规模约达

777

亿美元。其中，先进封装全球市场规模约

350

亿美元，预计到

2025

年先进封装的全球市场规模将达到

420亿美元，2019-2025

年全球先进

封装市场的

CAGR

约

8%。相比同期整体封装市场(CAGR=5%)和传统封装市场，先进封装市场增速更为显著。

先进封装占比：倒装占比最高，3D封装预计增长最快。从晶圆数来看，根据Yole和集微咨询数据，2019

年约2900

万片晶圆采用先进封装，到2025

年增长为4300

万片，年均复合增速为7%。（折合成12寸）。图表9：先进封装市场规模11：Yole，中泰证券研究所目

录一、先进封装简介：方向明确，景气向上二、先进封装工艺与设备详解三、受益标的四、风险提示12122.1半导体封装工艺

封装可分为四级，即芯片级封装(0级封装)、元器件级封装(1级封装)、板卡级组装(2级封装)和整机组装(3级封装)。通常0级和1级封装称为电子封装，2级和3级封装称为电子组装。

0级封装：裸芯片电极的制作、引线的连接等均在硅片之上完成，暂与基板无关；

1级封装：经0级封装的单芯片或多芯片在封装基板（普通基板、多层基板、HDI基板）上的封装，构成集成电路模块（或元件）。即芯片在各类基板（或中介板）上的装载方式；

2级封装：集成电路（IC元件或IC块）片在封装基板（普通基板、多层基板、HDI基板）上的封装，构成板或卡。；

3级封装：将二级封装的组件插到同一块母板上，也就是关于插件接口、主板及组件的互连。

封装流程：晶圆减薄、晶圆切割、固晶、键合、注塑成型、切筋成型、打码等。图表10：封装工艺流程：公开资料，利扬芯片招股书，中泰证券研究所132.2先进封装工艺梳理先进封装的特点：1.不采用传统的封装工艺，例如：无Bonding

Wire；2封装集成度高，封装体积小；3.内部互联短，系统性能得到提升4单位体积内集成更多功能单元，有效提升系统功能密度。先进封装工艺：倒装焊(Flip

Chip)、

晶圆级封装(WLP)

、2.5D封装（Interposer）

、3D封装(TSV)、Chiplet等。图表11：先进封装技术汇总备注：FOWLP（扇出式封装）、INFO（集成扇出型封装）、FOPLP（面板

级

封

装

）

、

EMIB（

嵌

入

式

多

芯

片

互

联

桥

封

装

）

、

CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）、HBM（高带宽内存）、HMC（

混

合

存

储

立

方

体

）

、

Wide-IO（

宽

带

输

入

输

出

技

术

）

、Foveros（三维面对面异构集成芯片堆叠）、Co-EMIB（Foveros和EMIB这两种技术结合）、TSMC-SoIC（集成片上系统）、X-Cube（eXtended-Cube）：CEIA电子制造，中泰证券研究所142.2先进封装工艺梳理WLP（Wafer

Level

Package）：晶圆级封装

直接在晶圆上进行大部分或全部的封装测试程序，之后再进行切割制成单颗芯片。

采用这种封装技术，不需要引线框架、基板等介质，芯片的封装尺寸减小，批量处理也使生产成本大幅下降。图表12：WLP晶圆级封装15：晶化科技，中泰证券研究所2.2先进封装工艺梳理

扇入型和扇出型封装：WLP

可分为扇入型晶圆级封装（Fan-In

WLP）和扇出型晶圆级封装（Fan-OutWLP）两大类：

扇入型：直接在晶圆上进行封装，封装完成后进行切割，布线均在芯片尺寸内完成，封装大小和芯片尺寸相同；

扇出型：基于晶圆重构技术，将切割后的各芯片重新布置到人工载板上，芯片间距离视需求而定，之后再进行晶圆级封装，最后再切割，布线可在芯片内和芯片外，得到的封装面积一般大于芯片面积，但可提供的I/O

数量增加。图表13：扇入型和扇出型封装16：矽品(SPIL)，中泰证券研究所2.2先进封装工艺梳理

FlipChip：倒装焊

传统WB（wire-bond，引线键合）工艺：芯片通过金属线键合与基板连接，电气面朝上；

倒装工艺：指在芯片的I/O

焊盘上直接沉积，或通过RDL布线后沉积凸块（Bump），然后将芯片翻转，进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，芯片电气面朝下；

凸块工艺：倒装工艺必备，在晶圆表面植锡球或铜块等，是先进封装的核心技术之一。图表14：倒装焊17：面包板，富士通，中泰证券研究所2.2先进封装工艺梳理

2.5D封装与3D封装

2.5D封装：裸片并排放置在具有硅通孔（TSV）的中介层顶部。其底座，即中介层，可提供芯片之间的互联；

3D

封装：又称为叠层芯片封装技术，3D封装可采用凸块或硅通孔技术（ThroughSiliconVia，TSV），TSV是利用垂直硅通孔完成芯片间互连的方法，由于连接距离更短、强度更高，能实现更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明显减小的封装，而且还能用于异种芯片之间的互连。图表15：2.5D封装与3D封装18：电子工程专辑，中泰证券研究所2.2先进封装工艺梳理

SiP：（Systemin

Packag，系统级封装）

SIP是将多种功能芯片，包括处理器、存储器、FPGA等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。与系统级芯片（System

on

Chip，SoC）相对应，不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式，而SoC

则是高度集成的芯片产品。图表16：苹果S7手表和A15芯片所采用的先进封装技术：Prismark，中泰证券研究所192.2先进封装工艺梳理

Chiplet

Chiplet

技术是一种通过总线和先进封装技术实现异质集成的封装形式；

作用:1.降低单片晶圆集成工艺良率风险，达到成本可控，有设计弹性，可实现芯片定制化;2.Chiplet

将大尺寸的多核心的设计，分散到较小的小芯片，更能满足现今高效能运算处理器的需求;3.弹性的设计方式不仅提升灵活性，且可实现包括模块组装、芯片网络、异构系统与元件集成四个方面的功能。图表17：Chiplet20：CEIA电子制造，中泰证券研究所2.2先进封装工艺梳理

Chiplet的异构集成与异质集成:

异构集成:将多个不同工艺节点单独制造的芯片封装到一个封装内部，可以对采用不同工艺、不同功能不同制造商制造的组件进行封装。例如将不同厂商的7nm、10nm、28nm、45nm的小芯片通过异构集成技术封装在一起；

异质集成:将不同材料的半导体器件集成到一个封装内，可产生尺寸小、经济性好、灵活性高、系统性能更佳的产品。如将Si、GaN、SiC、InP生产加工的芯片通过异质集成技术封装到一起，形成不同材料的半导体在同一款封装内协同工作的场景。图表18：异构集成图表19：异质集成：CEIA电子制造，中泰证券研究所212.3典型公司先进封装技术布局

台积电：

2.5D：CoWoS是台积电推出的2.5D封装技术，把芯片封装到硅转接板（中介层）上，并使用硅转接板上的高密度布线进行互连，然后再安装在封装基板；

INFO（扇出型封装）：可应用于射频和无线芯片的封装，处理器和基带芯片封装，图形处理器和网络芯片的封装；图表20：CoWoS图表21：INFO：CEIA电子制造，中泰证券研究所222.3典型公司先进封装技术布局

Intel：

EMIB是属于有基板类封装，EMIB理念跟基于硅中介层的2.5D封装类似，是通过硅片进行局部高密度互连。与传统2.5封装的相比，因为没有TSV,因此EMIB技术具有正常的封装良率、无需额外工艺和设计简单等优点。

Foveros被称作三维面对面异构集成芯片堆叠,是3D堆叠封装技术，Foveros更适用于小尺寸产品或对内存带宽要求更高的产品。在体积、功耗等方面具有显著优势。Foveros技术要处理的是Bump间距减小、密度增大以及芯片堆叠技术。图表22：EMIB图表23：Foveros23：CEIA电子制造，中泰证券研究所2.3典型公司先进封装技术布局

三星：

Wide-IO(Wide

Input

Output)宽带输入输出技术由三星主推，目前已经到了第二代，可以实现最多512bt的内存接口位宽，内存接口操作率最高可达1GHz,总的内存带宽可达68GBps,是DDR4接口带宽(34GBps)的两倍。

Wide-lO通过将Memory芯片堆叠在Logic芯片上来实现，Memory芯片通过3DTSV和Logic芯片及基板相连接。图表24：Wide-IO：CEIA电子制造，中泰证券研究所242.3典型公司先进封装技术布局：目前有芯片堆叠技术储备。图表25：先进封装专利：IT之家，中泰证券研究所252.4半导体封装设备梳理

封装设备：磨片机、划片机、固晶机、键合机、塑封设备、打标设备等。

先进封装增加设备需求：

封装设备需求增加：研磨设备增加（晶圆需要做的更薄）、切割设备需求增加、固晶设备（DieBond要求更高）；

新设备需求：如凸块（bump）工艺涉及到曝光、回流焊等设备；TSV工艺增加新设备需求。

全球封装设备呈现寡头垄断格局，ASM

Pacific、K&S、Besi、Disco、Towa、Yamada等公司占据多数的封装设备市场，行业图表26：芯片封装设备设备空间大。国际厂商国内厂商中电科、华海清科等圆片减薄机砂轮划片机日本Disco、东京精密日本Disco、东京精密中电科、光力科技等大族激光、德龙激光等新益昌等0级激光划片机固晶机日本Disco、美国JPSA、

瑞士SynovaASM、BESI等1级2级引线键合机K&S、ASM、BESI等中电科、奥特维、新益昌等塑封设备回流炉