中國粉體網訊 SEMI(國際半導體產業協會)與TechSearch International共同發表全球半導體封裝材料市場前景報告(Global Semiconductor Packaging Materials Outlook),預測全球半導體封裝材料市場將追隨晶片產業增長的步伐,市場營收從2019年的176億美元一舉上升至2024年的208億美元,復合年增長率(CAGR)達3.4%。
驅動這波半導體產業成長,因得益于各種新科技帶動,包括大數據、高性能運算(HPC)、人工智能(AI)、邊緣計算、前端存取存儲器、5G基礎設施的擴建、5G智能手機的采用、電動車使用率增長和汽車安全性增強功能等。
封裝為半導體產業核心一環,主要目的為保護芯片。半導體封裝測試處于晶圓制造過程中的后段部分,在芯片制造完后,將晶圓進行封裝測試,將通過測試的晶圓按需求及功能加工得到芯片,屬于整個IC 產業鏈中技術后段的環節,封裝的四大目的為保護芯片、 支撐芯片及外形、將芯片的電極和外界的電路連通、增強導熱性能作用,實現規格標準化且便于將芯片的I/O端口連接到部件級(系統級)的印制電路板(PCB)、玻璃基板等材料上,以實現電路連接,確保電路正常工作。
封裝工藝決定半導體的性能
包封必須滿足一定的機械、熱以及化學特性要求,不然直接影響封裝效果以及整個器件的可靠性。流動和粘附性是任何包封材料都必須優化實現的兩個主要物理特性。在特定溫度范圍內的熱膨脹系數(CTE)、超出可靠性測試范圍(-65℃至150℃)的玻璃化轉變溫度(Tg)對封裝的牢固性至關重要。
芯片封裝工藝流程包括來料檢查、貼膜、磨片、貼片、劃片、劃片檢測、裝片、鍵合、塑封、打標、切筋打彎、品質檢驗,最終是產品出貨。在這一過程中,就需要用到封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板、粘接材料等封裝材料。
封裝基板:封裝領域第一大材料
2021年全球 IC封裝基板行業整體規模達141.98 億美元、同比增長39.4%,已超過柔性板成為印制電路板行業中增速最快的細分子行業。2021年中國 IC封裝基板(含外資廠商在國內工廠)市場規模為23.17 億美元、同比增長56.4%,仍維持快速增長的發展態勢。
目前全球封裝基板廠商主要分布在日本、韓國和中國臺灣,市場格局較為分散,國產化率較低,不足5%。
引線框架:IC與功率器件載體,自主化率較高
引線框架是一種集成電路芯片載體,并借助于鍵合絲使芯片內部電路引出端(鍵合點)通過內引線實現與外引線的電氣連接,形成電氣回路的關鍵結構件。主要作用包括穩固芯片、傳導信號、傳輸熱量等。
根據SEMI 數據,全球引線框架市場規模常年保持穩定,2020年為 31.95億美元,同比增長3.5%。市場格局方面,在中國臺灣廠商并購部分日本廠商之后,目前由日本和中國臺灣廠商占據主導地位。
根據集微咨詢數據,2019年中國本土廠商引線框架市場規模為34.2 億元,占中國引線框架市場的40%,其余60%仍然由外資廠商供應。中國廠商數量不少,但是大部分廠商以生產沖壓引線框架為主,包括華龍電子、永紅科技、
豐江微電子、華晶利達、晶恒精密、金灣電子、三鑫電子、東田電子等。而在更為高端的蝕刻引線框架方面,僅有康強電子、華洋科技、新恒匯、立德半導體、芯恒創半導體等少數廠商可以生產。
鍵合絲:IC與引線框架電氣連接的橋梁
鍵合絲是芯片內電路輸入輸出連接點與引線框架的內接觸點之間實現電氣連接的微細金屬絲,直徑為十幾微米到幾十微米。上游原料主要為黃金、白銀、銅、鋁等金屬,中游為鍵合絲生產,下游應用為集成電路和分立器件等。
根據CEPEM數據,2019年鍵合絲市場規模約20億美元,細分產品方面,鍵合金絲占比32%,鍍鈀銅絲占比29%,純銅絲占比25%,鍵合銀絲占比12%,鋁絲占比2%。
中國鍵合絲市場仍主要被德國、韓國、日本廠商占據,本土廠商產品相對單一或低端。根據CEPEM數據,德國賀利氏占比21%,韓國銘凱益(MKE)占比20%,日本日鐵和田中占比分別為13%和10%。中國廠商一諾電子是本土產能最大的廠商,占比11%,萬生合金、達博有色和銘灃科技占比分別為6%、5%和2%,此外康強電子在鍵合金絲、鍵合銅絲上也有所布局。
陶瓷基板:新興散熱材料
隨著功率電子產品技術進步,散熱問題已成為制約其向著大功率與輕型化方向發展的瓶頸。陶瓷基板作為新興的散熱材料,具有優良電絕緣性能,高導熱特性,導熱性與絕緣性都優于金屬基板,更適合功率電子產品封裝,已成為大功率電力電子電路結構技術和互連技術的基礎材料,廣泛應用于LED、汽車電子、航天航空及軍用電子組件、激光等工業電子領域。
常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO )、氮化硼(BN)等。Al2O3和 AlN綜合性能較好,分別在低端和高端陶瓷基板市場占據主流,而Si3N4基板由于綜合性能突出,在高功率、大溫變電力電子器件(如IGBT)封裝領域發揮重要作用。雖然AlN的價格是Al2O3的 4倍左右,但由于其高導熱性和更好的散熱性能,AlN是目前最常用的基板,其次是Al2O3。
整體來看,上述科技應用持續成長的關鍵在于前端封裝技術,封裝材料的最大層壓基板(laminate Substrate)因系統級封裝(SIP)和高性能裝置的需求復合年增長率將超過5%;報告預測晶圓級封裝(WLP)介電質的9%復合年增長率為最快。盡管各種提高性能的新技術正在開發當中,但追求更小、更薄的封裝發展趨勢將成為導線架(Leadframes)、黏晶(Die attach)和密封劑(Encapsulants)增長的阻力。