縱觀中國集成電路產業,封裝測試行業發展尤其迅速。隨著國內高附加值芯片設計企業的快速發展,直接帶動了產業下游的集成電路封裝和測試。

國內芯片封測企業現狀
2019年,中國大陸芯片封裝、測試的廠家超過了120個。芯片封裝、測試行業的營收總額超過了2349億元人民幣,相比上一年增幅為7.10%,遠超全球的平均增幅。可以說,芯片封裝、測試行業已經成為大陸半導體產業鏈中最具實力的環節。
雖然中國大陸的芯片封測企業正在快速崛起,但是外資企業占據國內封測市場的份額依舊很大,封測市場國產化還有很大的提升空間。
雖然部分芯片封測企業的技術已經達到國際領先水平,但整體的發展程度仍與國外存在一定的差距。在半導體芯片產業中,隨著數模混合芯片、特殊電路芯片和高速寬帶網絡芯片等高端封測產品需求的不斷提升,推動了芯片封測技術的不斷提高。

芯片封裝技術發展歷程
當下,全球范圍內主流的芯片封裝形式主要集中在第三階段至第五階段。其中,第三階段主要是芯片級封裝(CSP)和球柵陣列封裝(BGA),第四、五階段主要是系統級封裝(SIP)、系統級單芯片封裝(SOC)和晶圓級系統封裝(TSV)。
最近幾年,國內一部分芯片封裝、測試企業通過并購和研發的方式,已經在主流的封測形式上達到了國際領先水平。但是,大部分國內封測企業仍停留在第二和第三階段,在整體上與國外企業存在差距。
先進封裝的發展趨勢
芯片封裝可以分為先進封裝和傳統封裝。根據著名半導體分析機構Yole Developpement的劃分,先進封裝包括Fan-in WLP、Embedded Die、Flip-Chip、3D stacking和Fan-out,劃分的依據為產品的封裝技術、封裝形式、封裝材料和工藝復雜程度。傳統封裝也有其優點,包括使用成本低、性價比高、應用領域廣和產品通用性強,因此傳統封裝和先進封裝各有優勢,可以服務各自不同層面的客戶。
根據Yole的預計,從2019年到2025年,全球傳統封裝市場將以1.9%的年復合增長率增長。而在車規芯片、5G通信終端、數據中心和高性能計算等領域的刺激下,先進封裝更是前景一片大好。Yole預測,先進封裝在2019年-2025年將以6.6%的年復合增長率增長。
現階段,先進封裝的技術路徑主要分為SiP和WLP。從整體上來看,封裝技術正朝著集成化和小型化的趨勢邁進。根據摩爾定律,每隔18個月左右,集成電路可以容納的晶體管數量將翻一倍。芯片設計領域正好將要進入瓶頸期,半導體產業越來越重視材料和封裝技術的革新。

封裝技術小型化,也可以統稱為WLP(晶圓芯片封裝),即以晶圓級作為芯片封裝的尺寸。另一種先進封裝技術SiP(系統級封裝),是將多個小型半導體材料(Die)封裝在一起,以提高整個電路的集成度。
從整體來看,芯片封裝技術經過了從引線框架(DIP/SOP/QFP/QFN)到焊線正裝(WB-BGA),再到倒裝(FC-BGA),然后是晶圓級封裝(WLP)的歷程。在這個發展過程中,單位芯片面積可以搭載的I/O模塊越來越多,芯片封裝的尺寸越來越小,厚度越來越薄。
WLP的特點是,直接在晶圓上進行封裝和測試,然后再從晶圓上切割,這是其與傳統封裝的最大區別。WLP又可以分為扇入封裝(Fan-in)和扇出封裝(Fan-out)。相比于傳統封裝技術,WLP的體積更小、散熱更好,特別是在晶圓尺寸越大、芯片尺寸越小的情況下,封裝效率就越高,成本越低。在當今晶圓尺寸以8英寸和12英寸為主,芯片制程工藝朝著3nm、2nm方向發展的趨勢下,WLP已經越來越受到重視了。

芯片封裝在X-Ray下的景象
由于摩爾定律的存在,單個芯片的性能受到局限。因此,出現了一種將不同功能的芯片和無源元件封裝在一個模塊中,各芯片之間的信號傳輸不通過印制電路板( Printed Circuit Board,簡稱PCB),這樣就繞開了摩爾定律,實現了集成電路整體性能的提升。這種封裝方式就是SiP。
SiP主要應用與智能手機市場。由于智能手機的輕薄化,必須保證內部的電子元器件小型化。SiP的集成化封裝,不僅可以減小電子元器件的尺寸,還能降低智能手機的組裝難度,節約BOM成本,因此在智能手機市場,特別是高端旗艦機上得到了廣泛的應用。除了智能手機,SiP還被應用到軍工、通信、車規芯片等。
先進封裝的最大應用領域是消費電子。根據Yole的統計數據,2019年,先進封裝占據了消費電子市場的86%,并且將以6%的年復合增長率一直持續增長到2025年。不過,通信設施正在以非常快的速度追趕消費電子。據統計,通信設施將以12.8%的年復合增長率,迅速先進封裝化。到2025年,先進封裝將占據通信設施的14%。
國內芯片封測企業盈利狀況
芯片封測行業是一個重資本、重技術的行業,因此,對資金和人才儲備有較高的要求。購置設備占據了資本投入的大部分,導致固定成本占比較高。由于半導體行業對封測技術的要求越來越高,技術研發和人才引進也占據了很大一部分的資本支出。因此,芯片封測是一個資本和人才密集型行業,企業面臨相對較高的人工成本和固定資產折舊。例如,2019年,長電科技的在職員工達到了2.3萬多人,固定資產規模為178億元,占總資產的一半多。
為了追趕國際先進封測企業,近年來國內企業紛紛加大了資本支出。并且,集成電路行業具有技術更新換代快的特點,這也要求封測企業不斷革新自己的技術。以中國大陸封測企業的領軍者為例,2019年,通富微電、華天科技和長電科技的資本支出占營收的比例分別為25.51%、24.13和11.92%。

通富微電的封測車間
在固定資產折舊和人工成本方面,2019年,華天科技、通富微電和長電科技的固定資產折舊占營收的比例分別為14.69%、14.49%和12.78%;人工成本占營收的比例分別是21.20%、14.68%和16.57%。從總體來看,國內主要封測企業的固定資產折舊和人工成本占營收的平均比例為31.47%。
重資產和勞動密集的特性,嚴重制約國內封測企業的盈利能力。還是以華天科技、通富微電和長電科技為例,2019年,他們的毛利率分別為16.33%、13.67%和11.18%,實現歸屬母公司凈利潤率分別為3.54%、0.23%和0.38%。整體的盈利能力普遍較弱。
另外,國內封測企業在客戶結構上仍需要改善。國內封測企業的客戶主要是國內的IC設計企業和半導體制造企業,但是國內的IC設計企業和半導體制造企業與相應的國際龍頭企業還是有一定的差距,這直接影響封測企業的業務量。例如,中國臺灣地區的封測企業日月光,憑借與臺積電的合作關系,發展成了全球最大的芯片封裝測試廠商。中國大陸最先進的半導體制造商中芯國際與臺積電還有不小的差距。國內封測企業在不斷革新技術的同時,還需要加強海外超級客戶的拓展。
雖然在先天上不具備優勢,但還是要從全局來看國內封測企業的發展。在2019年,大陸IC設計企業的總營收達到了3063.5億元,相比上一年同期增幅為21.6%;半導體制造企業的總營收達到了2149.1億元,相比上一年同期增幅18.2%。中國大陸半導體行業整體發展迅速,在上游IC設計和半導體制造企業的帶動下,國內封測企業的發展也將長期獲益。
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