先进封装产能不足,芯片大厂纷纷布局,封装材料迎来机遇

先进封装产能不足,芯片大厂纷纷布局,封装材料迎来机遇

  • 2024-02-02

关键词: 先进封装 芯片 人工智能

GPU大厂英伟达(NVIDIA)的AI芯片在全球供应不足,其最主要原因在于代工伙伴台积电的CoWoS先进封装产能不足。即便台积电承诺扩产,预计最快也要等到年底才会有一倍的产能增加,纾解供应不足的压力。对此,现在市场上传出,英特尔也加入供应英伟达先进封装的行列,月产能大约5,000片的规模。至于时间点,最快2024年第2季加入英伟达先进封装供应链行列。

根据英特尔之前的说明,现阶段旗下的主要先进封装技术分为 2.5D 的 EMIB(嵌入式多芯片互连桥接,为水平整合封装技术),以及 3D 的 Foveros(采用异质堆叠逻辑处理运算,可以把各个逻辑芯片堆栈一起)两大类。首先,2.5D的EMIB主要应用于逻辑运算芯片和高带宽存储器的拼接,目前发表的Intel Xeon Max系列、Intel Data Cneter GPU Max系列都已搭载EMIB封装技术。

至于,更先进的 3D Foveros 先进封装技术部分,则是让顶层芯片不再受限于基层芯片大小,且能够搭载更多顶层与基层芯片,并透过铜柱直接将顶层芯片与基板相连,减少硅穿孔 (TSV) 数量以降低其可能造成之干扰。未来将搭载在即将发布的 Meteor Lake、Arrow Lake 和 Lunar Lake 等系列处理器上。

当前,英特尔在美国奥勒冈州与新墨西哥州设有先进封装产能,同时并积极在槟城新厂扩充先进封装。而且,英特尔曾经表示,开放让客户仅选用其先进封装方案的方案,使得希望让客户更具生产弹性。因此,消息指出,在英伟达选择让英特尔加入提供先进封装产能之后,未来台积电依旧会是英伟达的主要先进封装供应商。


先进封装,纷纷扩产

由于芯片短缺和地缘政治紧张局势,先进封装变得更加重要。2022年先进封装市场约占整个集成电路封装市场的48%,而且市场份额还在稳步提升。封装这条路,从传统封装走向先进封装,从旧技术走向新技术,这本应该是顺滑过渡,但2023年AI订单需求的增加,对于先进封装的需求远远大于现有产能。

在AI的浪潮之下,先进封装领域需求正在呈现水涨船高的局面。这就带来了先进封装的产能告急。英伟达等HPC客户订单旺盛,客户要求台积电扩充CoWoS产能,导致台积电先进封装CoWoS产能吃紧,缺口高达一至二成。

面对产能吃紧,不少企业纷纷宣布扩产。

首先来看台积电。在先进封装产能供不应求的情况下,台积电去年8月宣布斥资900亿元新台币(约合人民币206亿元),在竹科辖下铜锣科学园区设立生产先进封装的晶圆厂,预计创造约1500个就业机会。

台积电总裁魏哲家之前曾在法说会提到,台积电已积极扩充CoWoS先进封装产能,希望2024年下半年后可舒缓产能吃紧压力。据了解,台积电已在竹科、中科、南科、龙潭等地挤出厂房空间增充CoWoS产能,竹南封测厂亦将同步建置CoWoS及TSMC SoIC等先进封装生产线。

在今年,台积电的产能将比原定倍增目标再增加约20%,达3.5万片——换言之,台积电2024年CoWoS月产能将同比增长120%。为了应对溢出的先进封装产能,台积电还委外给日月光承接相关订单,推升日月光高端封装产能利用率激增。

再来看英特尔。英特尔选择在马来西亚扩张自己的先进封装。英特尔副总裁兼亚太区总经理Steven Long表示,目前英特尔正在马来西亚槟城兴建最新的封装厂,强化2.5D/3D封装布局。这将是继英特尔新墨西哥州及奥勒冈厂之后,首座在美国之外采用英特尔Foveros先进封装架构的3D封装厂。

英特尔表示,其规划到2025年3D Foveros封装的产能将达到当前水平的四倍,届时槟城新厂将会成为英特尔最大的3D先进封装据点。此外,英特尔还将在马来西亚另一居林高科技园区兴建另一座组装测试厂。未来英特尔在马来西亚的封测厂将增至六座。

作为封测龙头的日月光也宣布扩产。除了前文提到,日月光已经接受部分台积电的溢出产能外。日月光在去年12月底,已经宣布大举投资先进封装产能,其子公司将以承租同集团台湾福雷电子高雄楠梓厂房的方式,扩充封装产能。有机构预测,2023年里日月光在封测方面的资本支出,60%都投向了先进封装。

在2023年的先进封装激烈竞争中,有一个国家不得不提——美国。2023年11月,美国公布了《芯片法案》的首项研发投资,剑指先进封装业。

美国将投资大约30亿美元,专门用于资助美国的芯片封装行业。这项投资计划的官方名称为“国家先进封装制造计划”,其资金来自《芯片法案》中专门用于研发的110亿美元资金,与价值1000亿美元的芯片制造业激励资金池是分开的。

美国商务部表示,美国的芯片封装产能只占全球的3%,因此美国制造的芯片往往需要运到海外进行封装。砸钱买封装,美国想补齐自己的封装短板。

美国自家的企业安靠出来站台。在去年12月,宣布斥资20亿美元在美国亚利桑那州皮奥里亚市建造一座先进封装厂。苹果也表示大力支持,官方宣布将成为半导体封装大厂Amkor(安靠)位于美国亚利桑那州Peoria新封测厂第一个,也是最大客户。


先进封装带来工艺流程变化,催生高端材料需求

先进封装相对传统封装的变化主要在于两个方面:

(1)FC新增Bumping、回流焊、底部填充环节。一般情况下,行业将FC(FlipChip,倒转)作为传统封装和广义先进封装的临界点,以结构最相近的WBBGA和FCBGA作对比,后者所代表的先进封装相较前者所代表的传统封装会多出Bumping工序,由此延伸出回流焊、底部填充等新增工序要求。

(2)立体组装对减薄/抛光产生更高要求,新增RDL、Bumping、TSV环节。立体组装作为第五代封装技术,其对封装技术提出更高的要求,以主流的2.5D/3D封装为例,相对于普通的FCBGA来说,立体封装工序会在晶圆检测和切片之间存在诸多变化,其中减薄/抛光环节将面临更高的要求,中间也会新增RDL、Bumping、TSV等环节,技术难度大幅提升。

先进封装技术难度提升、新增多个环节,导致工艺过程中出现了新的材料需求,并且材料性能对先进封装工艺的影响程度大幅提升,可以说先进封装材料成为了支撑先进封装产业链发展的关键。


临时键合:先进封装对减薄要求提高,临时键合材料成为关键耗材

先进封装中晶圆减薄主要是为了满足TSV制造和多片晶圆堆叠键合总厚度受限的需求,有效提高芯片制造的效率和成本效益。大尺寸薄化晶圆的柔性和易脆性使其很容易发生翘曲和破损,为了提高芯片制造的良率、加工精度和封装精度,需要一种支撑系统来满足苛刻的背面制程工艺(除了背部研磨减薄外,还包括光刻、刻蚀、钝化、溅射、电镀等RDL工艺等)。在此背景下,临时键合与解键合技术应运而生。当前在晶圆薄化趋势持续攀升背景下,临时键合技术普及率不断提升,进而带动临时键合胶需求持续增加。

临时键合胶(TemporaryBondingAdhesive,TBA)是把晶圆和临时载板粘结在一起的中间层材料,热稳定性、化学稳定性、粘接强度、机械稳定性、均一性等是临时键合胶的关键选择因素。临时键合胶的材料性能主要是由基础黏料的性质决定的,可用作基础黏料的高分子聚合物材料包括热塑性树脂、热固性树脂、光刻胶等。

根据新思界产业研究中心发布的《2023-2028年临时键合胶(TBA)行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示,2022年全球临时键合胶市场规模约为2.2亿美元,同比增长8.6%。全球范围内,布局临时键合胶市场的企业主要有美国3M、美国杜邦、美国道康宁、美国BrewerScience、日本TOK、英国MicroMaterials等国际企业以及台湾达兴材料、中国大陆的鼎龙股份、飞凯材料、未上市公司深圳化讯、浙江奥首、深圳先进电子材料、华进半导体等。受技术发展影响,目前全球市场由美国3M与台湾达兴材料两家企业占据主导地位,合计市场占有率已超40%,行业集中度较高。


RDL:先进封装的基础工艺,对PSPI、光刻胶、抛光材料、靶材带来新增量

RDL(重新布线层,Redistributedlayer)是实现芯片水平方向电气延伸和互连,面向3D/2.5D封装集成以及FOWLP的关键技术。RDL生产制造中主要用到PSPI、光刻胶、抛光材料、靶材以及一些功能性湿化学品(电镀液、清洗液、光刻胶剥离液等)。其中大部分品类,例如光刻胶、抛光液、抛光垫、靶材等都是在前道晶圆制造过程中常用的材料,先进封装的出现使得前道材料开始应用到后道封装中,这一高端材料下沉趋势为竞争追赶者带来弯道超车机会。

感光性聚酰亚胺(PSPI):RDL核心材料,PSPI因具有优异的力学性能、热学性能、电学性能等,在半导体封装中被应用为缓冲层材料及再布线层材料,是关键的制程材料和永久材料。RDL和晶圆表面的钝化层中介质通常需要光敏绝缘材料来制造,传统聚酰亚胺(Polyimide,PI)需要配合光刻胶使用,采用PSPI工艺流程可大幅简化。随着国内集成电路、OLED面板等产业需求的进一步扩大,国内PSPI的市场规模也将持续扩增。

由于PSPI行业技术壁垒较高,目前日本和美国企业仍占据全球PSPI市场的主导地位。日本东丽工业株式会社(TORAY)、日本日立化学株式会社(Hitachi)、美国杜邦公司(DuPont)、美国Futurrex公司等为全球知名的PSPI生产商。国内方面,鼎龙股份、强力新材等已陆续实现PSPI的国产化突破。

光刻胶:先进封装用光刻胶与晶圆制造过程中使用的光刻胶不同,封装用光刻胶分辨率一般仅要求为微米级的厚胶、紫外光光源、436nm的g线与365nm的i线。除RDL外,在封装基板、中介转接板(Interposer)、TSV、Bumping中也有应用。目前主流厂商包括日本的东京应化、JSR、富士胶片、信越化学、住友化学,以及美国杜邦、欧洲AZEM等。国内企业方面,彤程新材2020年收购北京科华正式切入半导体光刻胶领域。北京科华是国内稀缺的半导体光刻胶龙头企业,目前g/i线胶、KrF胶均已实现量产。晶瑞电材子公司苏州瑞红,规模生产光刻胶近30年,产品主要应用于半导体及平板显示领域,目前g/i线胶可实现量产,KrF胶完成中试,ArF胶已经启动研发。其他国产参与者还有华懋科技、南大光电等。

CMP材料:先进封装工艺流程中,化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing,CMP)是RDL、TSV工艺中的关键流程,用到的主要材料为抛光液和抛光垫。抛光液主要会用到两大类:铜/阻挡层的抛光液和晶圆背面的抛光液。抛光液市场中卡博特(Cabot)、VersumMaterials、日立(Hitach)、富士美(Fujimi)、陶氏(Dow)等美日龙头厂商占据全球CMP抛光液市场近80%。我国抛光液龙头安集科技目前前后道抛光液应用范围广、渗透率高,2022年安集抛光液全球市占率接近8%。此外鼎龙股份、上海新阳在抛光液上均有布局,2023年开始小批量放量。抛光垫市场中,美国Dow全球占比90%一家独大,国内鼎龙股份为抛光垫龙头,目前与长江存储、中芯国际等国内一流晶圆厂密切合作,渗透率持续提升。


Bumping:带来电镀液增量,触发封装基板升级

凸点制造(Bumping)是封装技术中关键的一环,是芯片能够实现堆叠的关键支撑。近几年随着先进封装快速发展,从球栅阵列焊球(BGABall)到倒装凸点(FCBump),再到微凸点(μBump),凸点尺寸也在不断缩小,技术难度也在不断升级。从当前主流的高端新进封装方案中,我们可以看到HBM、XPU以及芯片组合整个封装体对外互连时均需要用到Bumping工艺,可见Bumping在先进封装工艺中起到关键作用。

电镀液在bumping流程中起到了关键作用。高品质的电镀液保证了金属凸点的均匀性和可靠性。特别是在RDL(重布线层)工艺中,Bumping技术用于实现芯片与封装基板间的精确电连接。RDL技术要求高精度的凸点布局以及优异的电气性能,这些都离不开高性能的电镀液。因此,电镀液不仅决定凸点的形成,也是确保最终产品性能和稳定性的关键。

Techcet2023年8月预测数据显示,2023年全球电镀化学品市场规模将达9.92亿美元,2027年全球电镀化学品市场规模有望达10.47亿美元。

目前主要玩家仍以海外为主,国内多家公司开始布局。美国陶氏和美国乐思是美国的两大电镀液生产商。陶氏公司主要为半导体制造和高端电子封装提供硅通孔电镀液材料。乐思化学市场占有率高达80%,在全球芯片铜互连电镀液及添加剂市场中占据主导地位。日本日原成立于1900年,电镀液主要用于锡焊结合的表面处理。

目前,部分国产厂商经过长时间技术积累,已成功在部分电镀液及添加剂上完成了突破。其中,上海新阳在90-14nm铜制程技术节点上完成了突破,并提供超高纯电镀液系列产品;安集科技在多种电镀液添加剂在先进封装领域已实现量产销售;艾森股份先进封装用电镀铜基液(高纯硫酸铜)已在华天科技正式供应、电镀锡银添加剂已通过长电科技的认证,尚待终端客户认证通过、电镀铜添加剂正处于研发及认证阶段。天承科技在电镀液主要产品包括水平沉铜专用化学品和电镀添加剂等。


TSV:深孔刻蚀带来氟基气体需求,高性能EMC及填料成为关键

硅通孔技术(ThroughSiliconVia,TSV)是通过导穿硅晶圆或芯片实现多层垂直互连的技术。目前TSV技术主要应用于3个方向,即垂直背面连接、2.5D封装、3D封装,其中垂直背面连接主要应用在CIS、SiGe功率放大器,技术难度相对较低;2.5D中TSV的应用体现在中介层(interposer)的硅通孔制作,服务于用作多芯片间(例如GPU与存储之间)水平连接的载体,技术难度较高;3D封装中TSV技术的应用体现在芯片上直接进行硅通孔制作,目前常见于高带宽存储芯片(如HBM),技术难度高。从当前主流的高端先进封装方案来看,中介层和芯片内部硅通孔技术都已经得到广泛的应用,特别是在解决高带宽存储(存储间通信)、存储与算力芯片间通信的问题上起到关键作用。

TSV孔制造主要包括深孔刻蚀及清洗、绝缘层/阻挡层/种子层沉积、深孔填充,其中深孔刻蚀及清洗会涉及到氟基材料,沉积会涉及到SiO2、SiN、SiNO、Ti、Ta、TiN、TaN等材料,深孔填充主要涉及到电镀液材料。

电子特气海外高度垄断。全球主要气体公司主要有林德、法液空、空气产品、日本酸素这四家海外巨头,根据中船特气招股书统计,四大海外巨头在电子气体市场合计市场份额超过70%。具体到电子特气,除了上述四大海外巨头以外,还有默克、SKMaterials、关东电化、昭和电工等海外厂商占据主要市场,根据BCG的统计,2021年中国大陆占全球电子特气供给的17%,并且目前用于集成电路生产的电子特气,我国仅能生产约20%的品种,可见在电子特气市场我国企业仍处于追赶的过程。近年来华特气体、中船特气等企业逐步实现国产化突破。

EMC及填料:当前运用TSV技术的场景主要在2.5D硅中阶层和3D垂直叠构,其中3DTSV的特点在于通过垂直叠构的方式缩短了芯片间通信距离,相较于传统水平排布的方式,外围用于塑封的EMC及内部填料料也需要相应的升级,一方面垂直叠构导致塑封的高度显著高于传统单芯片的塑封高度,较高的高度要求外围塑封料要有充分的分散性,则EMC就要从传统注塑饼状变为撒粉颗粒状的颗粒状环氧塑封料(GMC,GranularMoldingCompound)和液态塑封料(LMC,LiquidMoldingCompound)。

在全球EMC市场竞争中,海外厂商(主要是日系厂商)目前仍然处于主导地位。日系厂商占据主要产能,全球主要两大具有垄断性地位的EMC厂商住友电木和Resonac合计产能超过10万吨,占据全球EMC市场主要产能,而国内上规模的EMC厂商仅衡所华威、华海诚科、瑞联新材、飞凯材料等有布局。

来源:贤集网