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半导体芯片设计制造设备和封测步骤

浏览: 作者: 来源: 时间:2022-08-13 分类:行业动态
半导体芯片设计制造和封测步骤,芯片制造过程所需硅片晶圆制造封测等环节流程设备

半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和封装后测试组成。

半导体封测即为半导体封装测试,是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。

图 半导体生产流程 

半导体生产流程

图 典型封装工艺的过程 

典型封装工艺的过程

图 封装产业链 

封装产业链

 

集成电路封装测试包括封装和测试两个环节,是半导体产业链和集成电路产业链的下游。根据 Gartner 统计,封装环节价值占封测 比例约为 80%-85%,测试环节价值占比约 15%-20%

据中国半导体行业协会报道,受新冠肺炎疫情导致的宅经济发展,以及5G、智能化、新基建等新兴应用驱动,催生了芯片市场的繁荣,半导体市场需求增长,缺货行情持续。这种情况也延伸到了半导体产业链下游的封测领域。中国更早复工复产,使得中国厂商获得更多的市场机会。2021年年初国内封测大厂纷纷发布2020财报,盈利均有不俗的表现,同时订单饱满、产能处于供不应求状态。

根据WSTS统计,2020年全球半导体市场销售额4390亿美元,同比增长了6.5%。中国半导体行业协会统计,2020年中国集成电路产业销售额为8848亿元,同比增长17%。其中,设计业销售额为3778.4亿元,同比增长23.3%;制造业销售额为2560.1亿元,同比增长19.1%;封装测试业销售额2509.5亿元,同比增长6.8%

图 半导体行业收入增长趋势图 

半导体行业收入增长趋势图

 

产业链价值链商业模式

2.1.1 产业链价值链

各行各业如今都在追求“效率”、“能效”,电源、功率相关的应用上,更高的效率意味着更高的功率密度:包括追求体积更小的解决方案,并确保所需的功率级;包括数据中心、电动汽车等诸多领域,都有这样的需求。与此同时电源管理系统对于实现更高的效率,降低总成本也是有价值的。

这些需求自然也推升了半导体材料的突破,所以这两年原本主流基于硅的功率半导体因受限于高压,当前行业正转向更高开关频率、最小化开关损耗的的方案。

半导体封装测试行业处于半导体产业链的下游:半导体产业可以主要分为芯片设计、晶圆制造、封装测试三个环节,封测行业位于整个半导体产业链的下游,位于晶圆制造之后,在电子制造电路组装之前。

芯片制造过程所需硅片晶圆制造封测等环节流程设备 

图,芯片制造过程所需硅片晶圆制造封测等环节流程设备

 

半导体封装技术发展大致分为四个阶段,芯片封装目前处于第三阶段成熟期,正向第四阶段演进。全球封装技术的主流处于第三代的成熟期,主要是 CSPBGA 封装技术,目前封测行业正在经历从传统封装(SOTQFNBGA 等)向先进封装 FCFIWLPFOWLPTSVSIP 等)的转型。

传统封装过程如下:将晶圆切割为晶粒(Die)后,使晶粒贴合到相应的基板架的小岛(Leadframe Pad)上,再利用导线将晶片的接合焊盘与基板的引脚相连(Wire Bond),实现电气连接,最后用外壳加以保护(Mold,或Encapsulation)。

先进封装主要是指倒装(Flip Chip),凸块(Bumping),晶圆级封装(Wafer level package),2.5D封装(interposerRDL等),3D封装(TSV)等封装技术。先进封装在诞生之初只有WLP2.5D封装和3D封装几种选择,近年来,先进封装的发展呈爆炸式向各个方向发展,而每个开发相关技术的公司都将自己的技术独立命名注册商标,如台积电的InFOCoWoS,日月光的FoCoSAmkorSLIMSWIFT等。

先进封装提高封装效率,降低产品成本。随着后摩尔定律时代的到来,传统封装已经不再能满足需求。传统封装的封装效率(裸芯面积/基板面积)较低,存在很大改良的空间。芯片制程受限的情况下,改进封装便是另一条出路。

尽管封测业表现良好,然而根据中国半导体行业协会封装分会发布的《中国半导体封装测试产业调研报告(2020年版)》的数据,目前国内封装测试企业在BGACSPWLP/WLCSPFCBGA/FCCSPBUMPMCMFOSiP2.5D/3D等先进封装产品市场的比例,约占总销售额的35%。这与国际大厂仍有不小的差距。

2.1.2 商业模式

IDM( Integrated Device Manufacture,整合一体化制造服务)与OSAT( Outsourced Assembly & Test,外包封装测试)是目前半导体封测行业中的两种商业模式。IDM是自有品牌,业务范围属于一条龙服务,从设计、制造到封测,甚至销售一体化完成,如IntelSamsung都属于这种模式。OSAT代工厂则没有自己的品牌,只为其他半导体设计、制造等相关行业客户提供代工封装测试服务,像台湾巨头日月光、美国安靠,国内的长电科技、华天科技、通富微电等都属于OSATOSAT+Foundry代工模式是半导体行业未来发展的主要商业模式,一方面受惠于轻资产的fabless设计公司的不断增长,另一方面由IDM企业因内部产能不足而溢出的订单驱动,OSAT企业在封测行业占比已经超过IDM模式。

集成设备制造商 (IDM) 2020 年第 3 季度建立了库存,但由于 2020 年第 4 季度销售强于预期,2020 年第 4 季度库存水平下降,主要用于 2 亿的模拟和分立技术产品。

按完成阶段划分的 IDM 总库存

图 晶圆加工的设备开支占比 

晶圆加工的设备开支占比