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突破摩尔定律?一文了解2021年集成电路封测行业市场现状

日期:2021/10/23 9:57:01
摘要:集成电路按照产业链可分为:设计、制造、封装、应用四个部分。其中芯片设计亦可称为超大规模集成电路(VLSI)设计,其流程涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、 电容器 等)、器件间互连线模型的建立;芯片制造工艺包括光刻、刻蚀、氧化沉积、注入、扩散和平坦化等过程。

主要企业: 长电科技(600584)、通富微电(002156)、华天科技(002185)

本文核心数据: 发展背景、行业地位、发展概况

行业发展背景

1、 集成电路 封测:芯片制造的最后一道工序

集成 电路 ,简称IC就是把一定数量的常用 电子元件 ,如 电阻 、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连线,通过 半导体 工艺集成在一起的具有特定功能的电路, 集成电路产业 是现代信息技术的基石。

集成电路按照产业链可分为:设计、制造、封装、应用四个部分。其中芯片设计亦可称为超大规模集成电路(VLSI)设计,其流程涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、 电容器 等)、器件间互连线模型的建立;芯片制造工艺包括光刻、刻蚀、氧化沉积、注入、扩散和平坦化等过程。

从实际经营的角度分析,集成电路产业链是以 电路设计 为主导,由电路设计公司设计出集成电路,然后委托芯片制造厂生产晶圆,再委托封装厂进行 集成电路封装 及测试,然后销售给电子整机产品生产企业。

图表1:集成电路产业链示意图

2、摩尔定律即将失效?堆叠式封测带来“一线生机”

——行业的周期性-摩尔定律

摩尔定律是由 英特尔 创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)经过长期观察总结的经验。摩尔定律的内容为:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍;或者说,当价格不变时,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

图表2:摩尔定律和计算机芯片发展示意图(单位:个)

——摩尔定律面临失效

半导体行业最重要的定律就是摩尔定律,指集成电路上可容纳的晶体管数目,约每两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。但一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时,相当于只有几个分子的大小,这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化,致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作,摩尔定律也就面临“失效”。

——堆叠式封装技术将超越摩尔定律

CES2019展会上, Intel 正式公布了Foveros3D立体封装技术,其首款产品代号Lakefield。Lakefield使用10nm制程,同时也将是是英特尔首款使用3D封装技术的异质整合 处理器 。根据英特尔发布的资料,Lakefield处理器,不仅在单一芯片中使用了一个10nm FinFET制程的Sunny Cove架构主核心,另外还配置了4个也以10nm FinFET制程生产的Tremont架构的小核心。此外,还内建LP-DDR4 内存 控制器 、L2/L3Cache,以及全新架构 GPU 。

而能够将这么多的处理核心和运算单元打包成一个单芯片,且整体体积仅有12 x 12mm,所仰赖的就是Foveros3D封装技术。

图表3:英特尔Foveros的堆叠示意图

后摩尔时代集成电路若想继续满足电路的高性能和特殊功能需求,除了通过工艺缩小CMOS器件尺寸、探索新材料、电路新结构的方法外,最可能通过封装方式的改变来提高集成电路容纳性:以系统级封装(SiP)为代表的功能多样化道路列为半导体技术发展的新方向,着眼于增加系统集成的多种功能,而不是过去一直追求缩小特征尺寸和提高器件密度。

行业发展现状

1、集成电路封测工艺流程

封装是集成电路制造的后道工艺,集成电路封装是把通过测试的晶圆进一步加工得到独立芯片的过程,目的是为芯片的触点加上可与外界电路连接的功能,如加上引脚,使之可以与外部电路如PCB板连接。同时,封装能够为芯片加上一个“保护壳”,防止芯片受到物理或化学损坏。在封装环节结束后的测试环节会针对芯片进行电气功能的确认。在集成电路的生产过程中封装与测试多处在同一个环节,即 封装测试 过程。

典型的集成电路封测工艺流程为:来料检查-磨片减薄-划片-粘片-压焊-塑封-切筋成型-打印测试-包装-品质检验,具体如图所示。

图表4:集成电路封测环节流程图

2、上游: 集成电路设计 、制造规模增加,将推动封测产业发展

近些年来,在国家政策扶持以及市场应用带动下,中国集成电路产业保持快速增长,继续保持增速全球领先的势头。受此带动,在国内集成电路产业发展中,集成电路设计业始终是国内集成电路产业中最具发展活力的领域,增长也最为迅速。根据中国半导体行业协会统计,2015-2020年,我国集成电路设计市场销售收入呈逐年增长趋势。2020年我国集成电路设计市场销售规模为3778亿元,较2019年同比增长23.30%。

而在集成电路制造行业,由于产业逐渐走向成熟,需求趋于稳定,且我国集成电路行业正在朝着更核心的集成电路设计方向发展,集成电路制造行业增长率有所下降。2020年我国集成电路制造行业市场规模为2560亿元,较2019年同比增长19.11%。集成电路设计、制造规模的快速增长,必将推动封测产业发展。

图表5:2015-2020年国内集成电路设计市场销售收入和增长情况(单位:亿元,%)

图表6:2015-2020年国内集成电路制造行业市场规模及增长率变化趋势图(单位:亿元,%)

3、下游: 计算机 与IT对芯片需求旺盛

——计算机产量增加拉动对封装产品的需求

近年来,随着计算机行业的逐渐成熟,我国电子计算机产业维持稳中有升的态势,电子计算机整机累计产量、微型电子计算机累计产量均同比出现不同程度增长。相对于2016年的低谷,当前计算机行业正处在上升阶段,预计与换新周期及经济缓慢复苏有关。据国家统计局统计,2020年我国电子计算机整机产量为4.05亿,较2019年同比上升13.64%;2021年上半年,电子计算机整机产量为2.30亿台,同比增长40.6%。

图表7:2015-2021年中国电子计算机整机产量(单位:亿台,%)

——IT产业支出增加拉动对封装产品的需求

根据Gartner公布的数据显示,2020年受新冠疫情影响,全球整体IT支出规模达36949亿美元,同比小幅下降1.65%;随2021年疫情好转以及疫情期间相关在线服务需求的发掘,全球整体IT支出规模将全面复苏,预计达到3.9万亿美元,同比增长6.2%。

从细分领域来看,历年来全球IT支出最多的领域为通讯服务,其次为IT服务,设备和企业软件支出相对较少,数据中心系统的支出最少。2020年全球通讯服务支出为13499亿美元,同比下降0.6%,IT服务支出10118亿美元,同比下降1.9%,设备支出为6532亿美元,同比下降6.4%,企业软件支出为4650亿美元,同比增长1.5%,数据中心系统支出为2360亿美元,同比增长1.6%,增速最快。

图表8:2017-2021年全球IT支出(单位:十亿美元)

4、竞争格局:主要集中在亚太地区,中国大陆市占率超20%_

从目前全球封装测试产业的分布来看,主要集中在亚太地区,并且近年来Top3厂商市场占有率超过了50%,行业集中度很高。根据Chip Insight初步估算,2020年全球半导体封测市场规模为2136.69亿人民币,行业前十强占83.98%,达到1794.38亿人民币。中国IC封装市场起步晚,但增速快,行业规模近年来占全球比例也在不断上升。

根据Chip Insight统计,2020年全球前十大封测厂商排名和2019年基本一致,但是2019年产业集中度进一步加剧,前十大封测公司的收入占全球封测总营收的84.0%,相比2019年的83.6%增加了0.4个百分点。据总部所在地划分,前十大封测公司中,中国台湾有五家(日月光ASE、力成科技PTI、京元电子KYEC、南茂ChipMOS、欣邦Chipbond),市占率为46.26%;中国大陆有三家(长电科技JCET、通富微电TF、华天科技HUATIAN),市占率为20.94%,较2019年19.90%增长1.04个百分点;美国仅有一家(安靠Amkor),市占率为14.62%;新加坡一家(联合科技UTAC),市占率为2.15%。

图表9:2020年全球前十大封测厂商排名预测(单位:百万人民币,%)

行业发展前景:高端封装的发展,将带动产业正向循环

结合前文来看,随着半导体制程工艺瓶颈,以及芯片架构优化的限制,未来几年处理器性能的发展将逐步减慢,摩尔定律也将逐渐失效。因此,高端封装技术为行业发展提供一线生机,有利于提高芯片性能。而站在整个产业角度上,芯片性能的提升又会促进计算机、IT产业的发展,从而间接地为芯片设计、制造、封测技术突破带来更多可能。因此,封装行业发展将带动产业正向循环,意义重大,行业具有十分广阔的发展前景。

图表10:封装行业发展意义

来源:前瞻产业研究院

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