【中國集成電路封裝產業深度剖析】隨著物聯網時代到來，下游電子產品對芯片的體積要求更加苛刻，同時要求芯片的功耗越來越低，這些都對集成電路封裝技術提出了更高的要求，先進的封裝技術能夠節約PCB板上空間并降低集成電路功耗，將在下游電子產品需求驅動下快速發展。中國優秀的封裝企業在BGA、WLCSP、Bumping、FC、TSV、SiP等先進封裝領域布局完善，緊跟市場對封裝行業的需求，有能力承接全球集成電路產業的訂單轉移。

產業轉移，中國集成電路前景看好

集成電路是現代電子計算機技術的基石，自從1946年全球第一臺電子管計算機誕生以來，電子計算技術革命性的改變了人類信息處理的方式。分立器件組成的電子運算系統體積龐大，適用范圍有限，集成電路是一種微型電子器件，將一個電路中的晶體管、電阻、電容等器件制作在一個晶片上，使得體積小型化，其發展深刻的影響了人類社會的發展進程。

半導體一般包括集成電路、分立元器件、傳感器、光電子等范疇，其中集成電路是半導體行業的核心，占據了半導體銷量的超過80%。全球集成電路行業呈現周期性和成長性雙重特點，一方面，集成電路行業受到宏觀經濟的影響，另一方面受到下游電子產品創新周期的影響，因此總體上呈現螺旋式上升的趨勢。根據全球半導體貿易統計組織數據，2015年全球集成電路市場容量達到2850億美元，對應從2004年到2015年的復合增長率為4.36%。

全球集成電路市場容量(百萬美元)

近年來，由于亞太特別是中國地區消費電子市場的崛起，以及人工成本方面的優勢，使得近5年來集成電路產業重心持續向中國轉移。根據美國半導體產業協會數據顯示，亞太地區(不含日本)半導體銷售額從2009年1月的全球占比47.52%提升到2015年5月的60.85%。可以看到近年來亞太區域半導體持續呈現供銷兩旺的局面，全球半導體產業呈現明顯的向亞太地區轉移的趨勢。

半導體銷售額亞太區占比

根據中國半導體行業協會數據顯示，2014年我國集成電路行業市場規模達到3015.4億元人民幣。受益于中國下游消費電子等產業的高速發展，中國市場過去10年集成電路規模實現了18.65%的復合年化增長率。其中封裝行業市場規模達到1255.9億元人民幣，占集成電路市場規模的41.65%。2015年集成電路產業銷售收入達到3500億元，年增長率達到18%，繼續保持高速成長。

全球視角來看，半導體行業景氣程度取決于下游需求。過去10余年間，臺式電腦、便攜式電腦、智能手機驅動了半導體行業的長周期成長。站在當前時間節點看，全球智能手機增速放緩，根據IDC統計，2014年全球手機市場規模大約在18.9億，智能手機銷售12.8億，滲透率70%。

2015年全球智能終端銷量預計仍有同比20%的增長，但考慮到終端總規模，預計智能終端替代已接近尾聲，未來終端市場更多的可能出現周期性。展望未來，物聯網是支撐半導體行業發展的新引擎。

2005年11月國際電信聯盟(ITU)發布了報告正式提出了物聯網(IoT)概念，引起了世界各國的廣泛關注。物聯網是指世界上所有的物體都可以通過網絡主動進行信息交換，實現任何時間、任何地點、任何物體之間的互聯。在萬物互聯時代，信息鏈接不再局限于人與人(H2H)之間的鏈接，人與物(H2T)的互聯，物與物(T2T)的互聯將成為未來的發展方向，物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。

隨著IC集成電路成本降低，嵌入式系統在飛機、汽車、家電、工業裝置、醫療器械、監控裝置和日用物品等廣泛的物理設備中可以得到應用，這些物理聯網設備系統(cyberphysicalsystem)是物聯網的基礎設施和表現形式。基于人人、人物、物物連接能力構建萬物互聯，需要無源、有源、互聯網三類物聯網節點。無源結點是具有電子標簽的物品，這是物聯網中數量最多的結點。

無源結點一般不帶電源，可以具有移動性，具有被感知能力和少量的數據存儲能力，不具備計算和聯網能力，提供被動的連接能力。有源結點是具備感知、聯網和控制能力的嵌入式系統，這是物聯網的核心結點。這類設備是當前快速發展的領域，例如帶有聯網功能和數據收集功能的智能手環、具有遠程操控功能的家用空調等。

互聯網結點具備聯網和控制能力的計算系統，可以認為是物聯網的計算中心。作為一個中心節點，互聯網節點需要有不間斷的電源，高運行可靠性，起到網絡調度、控制、信息存儲、大型計算等作用。

物聯網節點類型

而物聯網帶來了封裝產業的改變，并給中國帶來了新的機遇。

封裝產業首先突圍

前面提到，隨著產業轉移和技術轉移，中國封裝企業有了新的機遇，而其實目前我國封裝企業已經具備一定的國際競爭力，在國際前20的封裝企業中，我國擁有3席。封裝行業集中度比較高，前5名占有50%以上的市場份額，隨著長電科技收購星科金朋，前5名的集中度將進一步提高。

2015年全球封測市場主要廠商營收及份額

以2015年營收計并購后三巨頭市場份額

在集成電路產業中，封裝產業相比晶元制造的資本開支要求低很多，根據萬得數據，2015年全球半導體設備開支達到410億美元，其中晶元制造業開支337億，占比82%，封裝測試業開支72億，占比18%。封裝測試由于對于資本開支需求相對較小，更易于率先發展。

實際上，我們可以看到過去10年中國封測領域占據集成電路超過40%的市場，而從全世界的視角看，集成電路產業價值鏈中，芯片設計、晶圓制造、封裝測試的占比大約為3∶4∶3，這種先發優勢決定了集成電路產業領域的國產替代必然從封裝領域開始，從大陸產業鏈優勢來看，封裝離下游模組更近，同樣有利于優先替代。從而未來將以芯片設計和封裝的產業集群優勢帶動重資產的芯片制造追趕國際先進水平。

另一方面，對于設計公司，轉換晶元制造的foundry需要重制掩膜板、試產及調整良率等諸多工程，不同晶圓廠的設計庫也不盡相同，一般需要客戶和晶元廠深度合作，也需要比較長的轉產周期。而封裝廠轉產相對簡單，不需要客戶進行大量工作，更容易發揮大陸產業鏈的成本優勢。《國家集成電路產業發展推進綱要》中明確了2020年封裝測試技術達到國際領先水平，2030年成電路產業鏈主要環節達到國際先進水平。封裝引領率先突圍的路線圖非常清晰。

集成電路資本設備開支(百萬美元)

因此我們認為，封裝行業未來成長有三大邏輯支撐，第一是萬物互聯時代對集成電路巨大的需求;第二是中國電子下游產品產業集群建立所引發的封裝行業國產化替代趨勢;第三是中國政府在產業升級過程中，給予集成電路產業的巨大支持。這三點決定了未來中國封裝行業可以相對較少的受到周期性影響，保持長周期景氣。

受國家集成電路產業扶持政策拉動，至2020年，國內IC產業將保持CAGR20%增長率。同時，本土IC封測企業全球并購活動加強，不僅帶來大量先進封測技術與知識產權，也使得國際客戶逐漸轉向大陸。外加近年國際IC封裝巨頭安靠等在大陸的大量投資，我國IC先進封裝產業預計將以CAGR不低于18%增速保持增長，預計由2016年產量41.5億片增至2018年57億片。2020年，國內先進封裝行業規模將達到46億美元。

因此發展國內封裝產業勢在必行。

先進封裝技術制程企業全球競爭力

隨著消費電子的發展，手機、PAD、筆記本越來越強調小型化，正在興起的可穿戴設備對體積要求更加苛刻。另一方面，物聯網時代對芯片功耗要求更低，這些都對集成電路封裝技術提出了更高的要求，先進的封裝技術能夠節約PCB板上空間并降低集成電路功耗，將在消費電子和物聯網的兩方面驅動下，快速發展。中國企業在先進封裝領域的布局能夠有效支撐企業承接全球集成電路重心轉移趨勢，幫助企業長期成長。下文我們梳理了核心的先進封裝技術。

首先我們要了解一下封裝技術的流程。

集成電路的制造流程包括芯片設計、晶元制造、封裝測試三個環節。在產業鏈上，封裝位于晶元制造的下游環節，處于模組制造的上游環節。封裝可以認為是集成電路生產過程的最后一道工序，是指將芯片(Die)在不同類型的框架或者基板上布局、粘合固定連接，引出接線端子并通過塑封料(EMC)固定形成不同外形的封裝體的一種工藝。

封裝在集成電路制造產業鏈中的位置

封裝主要有四方面的作用

第一，是起到保護芯片的作用，通過晶圓制造廠制造的裸晶非常脆弱，需要在無塵室的環境下生產，對溫度濕度灰塵密度以及靜電都有嚴格的要求，才能保證芯片不會失效。但是芯片的使用環境遠為復雜，因此需要封裝來保護芯片。

第二，封裝能夠對芯片起到支撐作用，使得器件整體強度提高不易損壞。

第三，封裝工藝負責將芯片電路和外部引腳連通。

第四，封裝為芯片工作提高可靠性環境，保障芯片使用壽命。

封裝的內部結構

封裝可以按照使用的封裝材料進行分類，分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝，其中商用95%以上的產品都是用塑料封裝。從和PCB板焊接關系上講，封裝又可以分為PTH(通孔式)封裝和SMT(表面貼裝式)封裝，目前絕大多數產品使用表面貼裝封裝。從封裝的類型上又可以分為DIP、SOT、QFN、LCC、TSSOP、QFP、BGA等封裝技術，不同封裝類型的根本差別在于引腳數。量的多少以及封裝效率的高低。

一個芯片的封裝，一般要經過多道工序，首先需要將晶圓廠出廠的晶元(wafer)正面電路區域貼膠帶保護，進行背面研磨，一般需要減薄到200-350uM;然后將晶元切割成一片片獨立的芯片(Die)，并進行粉塵清洗工作;

第三步裝片(diebonding)是將芯片利用銀漿等粘結，裝配到框架上;然后進行鍵合(wirebonding)工作，利用金絲將芯片的點擊與框架的引腳連接起來;再用專用模具，在一定壓力和溫度的條件下用塑封樹脂把鍵合后的半成品封裝保護起來，并在成品上打印上標記;

最后經過成品測試剔除不良品得到出廠成品。隨著封裝技術的進步，封裝的工藝流程也出現了一些變化，采用不同工藝的產品在具體的封裝流程上也會有所不同。

封裝的流程

封裝技術的演進方向

隨著集成電路的復雜化，單位體積信息的提高和單位時間處理速度的越來越高，隨之而來的是封裝產品引腳數的提高。另一方面電子產品小型化的發展趨勢十分明確，這種市場需求對電路封裝技術提出了相應的要求，不再滿足于封裝原有的保護、支撐、連通等功能，而是越發強調封裝產品在單位體積或者面積內可以承載的芯片大小以及數量。

一般而言，衡量一個芯片封裝技術先進與否的重要指標是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近1越好。我們可以看到，iPhone6中采用了刀把板式的電路設計，最大程度的壓縮PCB板大小，板上空間十分緊張，同時蘋果采用了3D封裝中的POP封裝將DRAM和A8處理器封裝在一起，由圖可見，如果DRAM單獨封裝，將很大程度上影響PCB板設計。

因此，電子產品小型化屬于下游強需求，必將驅動先進封裝技術的快速發展，擁有先進封裝技術的公司也將占有市場優勢。

iPhone6電路板

半導體技術發展經歷了分立器件、通孔插裝、表面貼裝、BGA封裝幾個發展階段，未來將向更高封裝效率的3D封裝等技術演進。《國家集成電路產業發展推進綱要》中明確提出了封裝領域發展方向包括了芯片級封裝(CSP)、圓片級封裝(WLP)、硅通孔(TSV)、三維封裝等先進封裝和測試技術的開發及產業化。先進封裝必將代表產業發展方向。

封裝技術概覽

下面我們來了解一下幾種先進封裝技術：

下游掌握WLCSP-TSV封測技術的廠商

(1)WLCSP封裝

CSP(ScalePackagingTechnology)封裝是一種比BGA封裝效率更高的封裝形式，日本電子工業協會對CSP規定是芯片面積與封裝尺寸面積之比大于80%。

因此CSP的封裝效率可達1:1.14。比起BGA封裝，其管腳中心距更小，BGA一般在1.0mm到1.27mm，而CSP一般小于0.8mm。引腳數相同的封裝，CSP可以做到BGA封裝的三分之一大小。

CSP封裝不但體積小，同時也更薄，其金屬基板到散熱體的最有效散熱路徑僅有0.2mm，大大提高了芯片在長時間運行后的可靠性，線路阻抗顯著減小，芯片速度也隨之得到大幅度的提高。

CSP封裝的電氣性能和可靠性也比BGA、TSOP有相當大的提高。晶元級封裝(Wafer-LevelChipScalePackagingTechnology)是CSP的一種實現方式，指不同于傳統的晶片先切割再封測的制造流程，而是在晶元制造后直接在晶元上進行封裝和測試，最后再劃線分割，因此封裝后體積與IC裸芯片尺寸幾乎相同，而傳統的封裝方式封裝后比裸晶尺寸增加20%。

WLCSP封裝

晶元級封裝除了封裝尺寸小外，其信息傳輸路徑變短，IC到PCB間的電感很小，提高了穩定性。由于晶圓級封裝不需要傳統密封的塑膠或陶瓷封裝，因此在IC運算時熱量能夠有效散出，有助于解決小型電子產品發熱量過高的問題。

封裝流程比較

(2)3D封裝技術

3D封裝技術是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術，它起源于快閃存儲器(NOR/NAND)及SDRAM的疊層封裝。目前常用的3D封裝包括了POP、TSV等形式。

PoP是PackageonPackage的縮寫，為封裝體疊層技術。在邏輯電路和存儲器集成領域，封裝體疊層(PoP)已經成為業界的首選，主要用于制造高端便攜式設備和智能手機使用的先進移動通訊平臺。

與此同時，PoP技術也在移動互聯網設備、便攜式媒體播放器等領域找到了應用。這些應用帶來了對PoP技術的巨大需求，而PoP也支持了便攜式設備對復雜性和功能性的需求。像應用處理器或基帶/應用存儲器組合這樣的核心部件，其主要的生產企業都已經或計劃使用PoP解決方案。例如上文提到的蘋果iPhone6就采用了POP封裝。

未來3D封裝的演進方向是硅通孔(TSV)技術，是通過在晶圓和晶圓之間制作垂直導通，實現芯片之間互連的技術。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的倒裝技術不同，TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。芯片堆疊是各種不同類型的電路互相混合的最佳手段，例如將存儲器直接堆疊在邏輯器件上方。

由于TSV工藝的內連接長度是幾種工藝中最短的，可以減小信號傳輸過程中的寄生損失和縮短時間延遲。同時節能也是TSV的特色之一，據測試TSV最多可將硅鍺芯片的功耗降低大約40%。

TSV與傳統工藝對比

(3)SiP封裝

SiP(systeminpackage)封裝是未來發展趨勢，其指的是針對超過一種以上之不同功能的主動電子組件，可以選擇性地與被動組件，或者其它組件封裝在一起，進而提供多重功能。

從概念上講，SiP封裝并不特指一種封裝技術，而是一種封裝形式，它和SOC在設計初衷上有著共同的出發點：在有限空間上整合多項集成電路功能。

SOC即系統級芯片，在一個芯片上集成數字電路、模擬電路、RF、存儲器和接口電路等多種電路，以實現圖像處理、語音處理、通訊功能和數據處理等多種功能，是從設計角度進行這項工作。

然而SOC面臨芯片設計研發周期過長，不同制程整合不易的問題。而SiP系統級封裝從封裝角度同樣能夠實現在一個封裝體中集成多項集成電路功能。

SiP可采用市售的商用電子元器件，降低產品制造成本;其開發到上市的周期短，風險小;可采用混合設計技術，為客戶帶來靈活性，因此SiP被認為是繼DIP、SMT、BGA后的第4次封裝革命。因此我們認為SiP技術將是未來一段時間封裝廠商重點投入的技術領域。SiP技術內涵比較豐富，MCM、POP、PIP、TSV技術都被用于SiP封裝。

SiP封裝分類

SiP封裝強調目的，并不要求一定形態，就芯片排列方式而言，其可以是平面2D式的多芯片模組，也可以是3D式的封裝;鍵合既可以使用金屬線鍵合，也可以使用倒裝芯片方式安裝。其中倒裝芯片、3D封裝都是SiP封裝的重要技術。

SiP封裝顯微圖

(4)倒裝技術

倒裝芯片焊接(Flip-chipBonding)技術是一種新型封裝技術，是整個封裝過程中的一個流程，不同于傳統封裝需要金屬引線鍵合步驟，它將工作面(有源區面)上采用凸點電極工藝(Bumping)與基板布線層直接鍵合。在封裝的過程中，晶片(IC)會被翻轉過來，以面朝下方式讓晶片上面的接合點(Pad)透過金屬導體與基板的接合點相互連接的封裝技術。

倒裝技術

與傳統的引線鍵合技術(WireBonding)相比，倒裝芯片焊接技術鍵合焊區的凸點電極不僅僅沿芯片四周邊緣分布，而是可以通過再布線實現面陣分布。

因而倒裝芯片焊接技術密度更高，使用倒裝焊技術能增加單位面積內的I/O數量;縮小晶片封裝后的尺寸，是BGA、CSP等封裝中經常采用的技術。

同時倒裝由于沒有金屬引線鍵合，降低了晶片與基板間的信號傳輸距離，信號完整性、頻率特性更好;另一方面，倒裝凸點等制備基本以圓片、芯片為單位，較單根引線為單位的引線鍵合互連來講，生產效率高，降低了批量封裝的成本。

金屬引線鍵合工藝流程

倒裝芯片焊接的關鍵技術包括凸點制作和倒裝焊接兩個步驟。凸點制作工藝關鍵是要保證凸點的一致性。特別是隨著芯片引腳數的增多以及對芯片尺寸要求的提高，凸點尺寸及其間距越來越小，制作凸點時又不能損傷脆弱的芯片。

倒裝焊接現在應用較多的有熱壓焊和超聲焊。熱壓焊接工藝要求在把芯片貼放到基板上時，同時加壓加熱。該方法的優點是工藝簡單，工藝溫度低，無需使用焊劑，可以實現細間距連接;缺點是熱壓壓力較大，僅適用于剛性基底(如氧化鋁或硅)，基板必須保證高的平整度，熱壓頭也要有高的平行對準精度。

為避免半導體材料受到不必要的損害，設備施加壓力要有精確的梯度控制能力。超聲熱壓焊連接是將超聲波應用在熱壓連接中，使焊接過程更加快速。超聲波的引入使連接材料迅速軟化，易于實現塑性變形。熱超聲的優點是可以降低連接溫度，縮短加工處理的時間。缺點是可能在硅片上形成小的凹坑，主要是由于超聲震動過強造成的。該方法主要適用于金凸點、鍍金焊盤的組合。

倒裝BUMP工藝流程

總結：

對于正在快速發展的中國集成電路產業來說，封裝企業是最后的一道屏障，如果沒有封裝的保證，所謂的自主可控也是鏡花水月，期待中國封裝產業能如愿走到全球領先位置。