X

芯片不再被卡脖子的开始:中国半导体封测三巨头亲证“闷声发大财”

6月初,市面上传出消息,国内最强光刻机巨头—上海微电子,将会在2021-2022年交付国内首台28nm沉浸式光刻机。

在此之前,我国最顶尖的光刻机制程工艺还仅仅停留在90nm,和28nm之间差了65nm、40nm 2个关键工艺节点。可以说,这次的成就是国内晶圆制造领域一次实实在在的大跨越,极大缓解了因为美国封杀中国科技企业带来的沉重气氛和悲观情绪。

事实上,这只是我国在半导体行业尖端取得突破的一个典型,整个行业的进步远不只这些。

之前的文章《一文详解中国半导体行业磨剑14载的“02专项”》介绍过,早至2003年,中国的顶层精英就已经在思考国家未来高科技行业的发展方向,并制定了高科技领域发展的16个重大专项。

其中,半导体被列为重中之重,排在头两位的“01专项”和“02专项”均与其有关。从原材料到设计、制造、封装的整个半导体产业链,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006--2020年)》提出了完整的国产替代方案。

经过全中国从上到下,全行业十几年长时间、有计划地投入,目前这个专项已经开花结果。

从芯片产业链设计、制造、封测三大环节来看,设计方面,国内已经有了海思、紫光展锐、格科微、兆易创新等可以在各自细分领域站稳顶端的企业;制造方面仍然较为落后,也是被国外“卡脖子”的重灾区,但其实也都有一定的替代能力,且也不乏光刻机这样快速进步的情况。

半导体封测平时少有人关注,主要是相较于其他环节,这个部门算是高科技领域中的“劳动密集型”产业,技术含量和资本含量略低——当然只是相对而言,也不太容易被国外卡住。正是在这种环境中,中国企业“闷声发大财”,获得了巨大进步。

未来,封测可能是我国在半导体行业登顶的第1个大环节。

“闷声发大财”的起点

半导体封测实际上是封装和测试的合称。虽然是2个环节,但其工序有延续性,而且往往也在同一个工厂内完成,所以一般将其统一起来。

芯片封装是利用薄膜技术细微加工技术等,将芯片连接到一块基板上并加以固定,随后用可塑性绝缘介质灌封,制造出成品芯片的过程。

封装的意义在于,因为前一个环节制造出的芯片小且薄,如果不在外施加保护,非常容易刮伤。此外,在过去工艺不佳的情况下,因为芯片尺寸微小,如果不加上一个大尺寸的外壳,不容易人工安放到电路板上。我们日常看到的,实际上都是这样套了个壳子的芯片。

测试顾名思义,就是对已经完全成型的芯片进行最后的测试,通过后就能打包发货了。

具体来看,封装工艺流程一般可以分为2个部分,用塑料封装之前的工艺步骤成为前段操作,在成型之后的工艺步骤成为后段操作。

前端操作包括:

1、磨片,将刻好电路的晶圆磨薄,适应封装需要。

2、划片,将整块晶圆划成小块芯片。

3、装片,把切割好的芯片装配到壳底或框架上。

4、键合,用键合线(一般是极细的银线)将芯片的接触电极和框架的引脚,使电路导通。

5、塑封,利用模具用塑封树脂把半成品芯片封装保护起来。

后端操作包括:

1、电镀,利用金属和化学方法,在引线框架的表面镀上镀层,防止外界环境侵扰。

2、切筋/打弯,切筋就是将封装好的芯片引脚从框架上切下来,打弯就是把引脚弯成需要的形状。

3、打印,按客户要求在外壳上打上标记。

4、测试,通过测试仪筛选剔除不良产品。

5、包装。

6、仓检。

7、出货。

从上世纪60年代半导体行业诞生至今,封装技术大体经历了5个阶段,如下图所示:

可以看到,由于芯片逐渐深入到越来越多行业的方方面面,种类复杂,与之适配的封装形式也花样繁多,看得人眼花缭乱。

不过,如果不是业内人士,实际上不用太关心图中的各种名称,只需要知道,全球半导体封装行业大体上正处在第三、第四阶段的成熟期,PQFN和BGA等主要封装技术逐渐投入大规模生产,国内封装企业则大多以第一、第二阶段的封装技术为主。

此外,行业的主要玩家当前正逐渐向第五阶段发力,抢夺未来的技术高地。

在业内,通常以是否存在焊线为标准,封装形式又分为先进封装和传统封装2种。大致上可以将第一、第二阶段的封装技术归入传统封装,之后的归入先进封装。

从传统到先进,总的发展路径有2种:要么越来越小,使封装接近芯片尺寸大小,比如FC、WLCSP、Fan-Out 等;要么功能性越来越强,强调异构集成,在系统微型化中提供多功能,如SiP、3D封装等。

整体看来,传统封装技术成熟、产能较大,对于中低端产品或者标准器件而言,传统封装更具稳定性及规模优势;相较于传统封装,先进封装具有尺寸更小、封装密度更高、可容纳引脚数量多、集成度高、性能更强、封装效率更高、可降低生产成本等优势,可满足对性能要求高的产品需求。

三分天下

前面说过,相对于其他环节,封测行业技术壁垒和国际限制较少,再加上近年终端电子产品需求旺盛,几轮大规模企业并购过后,中国已经算是全球半导体封测领域的主要玩家了。

从国内看,2019年前三季度,我国集成电路销售收入达5050亿元,其中封测收入为1607亿元,大约占整个市场的1/3左右。

不过,由于近年来我国发力半导体的设计和制造领域,封测领域占的比重出现了下滑。

自2012年至2018年,我国集成电路销售规模从2162亿元增长至6532亿元,年均复合增长率为 20.24%。而我国封装测试业的市场规模从2012年的1034亿元,增长至2018年的2196亿元,复合增速为 13.38%,增速落后于行业整体增速。

再次强调,这个落后只是相对于国内的设计和制造2个领域而言的。

从时间线上纵向看,根据中国半导体协会统计,2019年,大陆封测企业数量已经从2017年的90多家增加至超过了120家,发展势头迅猛。

再看看全球格局,当前全球封测市场呈现“三分天下”格局,中国大陆已有其一。不过这“三足”力量并不均衡,而是有强有弱。

其中,2019年全球前10的封测公司中,总部在中国台湾的企业(日月光、矽品精密、力成科技、京元电子、颀邦)占了江山半壁,市场份额为 43.9%。

中国大陆3家(长电科技、通富微电、华天科技),市占率为20.1%。

美国在这方面落了下风,只有1家安靠(Amkor),市占率为14.6%。

另外新加坡还有1家联合科技(UTAC),市占率为2.6%,占比较小。

作为对比,在2017年时,中国台湾封测企业市占率为40.8%,中国大陆为19.1%,美国为15%,新加坡2.5%,剩下的是其他厂家。我们往前小小进了一步,美国则往后小小退了一步。

值得注意的是,前面虽然提到,我国封装企业大多以第一、第二阶段的传统封装技术为主,但这不包括长电科技、通富微电、华天科技这三巨头。从技术角度看,这3家国内顶尖封测企业的技术水平和世界一流已经不存在代差。

甚至于说,在2017年,长电科技的封装技术专利数量已经在中国和美国同时拿下了第1,其中先进封装技术专利占比超过67%。

根据Yole的数据,2019年,倒装芯片(FC)占先进封装市场的75%。不过,到2025年,其市场份额预计将下降至约71%。在各个先进封装平台中,3D堆叠、嵌入式(Embedded die)封装和扇出型(Fan-out)封装将以最快速度增长。

而长电科技此前的财报恰好提到,“Fanout(eWLB)和 SiP 成为本公司两大先进封装技术的突出亮点,不仅在技术上而且在规模上都处于全球领先地位”,在当前先进封装技术领域抢占了先机。

此外,通富微电之前收购了AMD中国持有的苏州、槟城工厂,引入了这2个工厂的先进倒装芯片封测技术,可提供包括Bumping、WLCSP、FC、BGA、SiP等先进封装技术;华天对Unisem、FCI等的并购,在获取大量优质国际大厂订单的同时,也完善了Bumping、SiP、Flip-Chip、MEMS等先进封装技术的布局。

中企的“金元攻势”

可能不少人会疑惑,为何在半导体其他领域上如此落后,中企却能在封测这方面突破得如此迅速?

一方面,之前也说过,半导体封测是整个行业中技术含量相对较低的环节,外国企业的技术壁垒较低;另一方面,技术壁垒低也导致外国很少在这方面下功夫“使绊子”,中国企业前几年得以开展“金元攻势”,收购了不少国外优良资产。

其中,最典型的就是长电科技“蛇吞象”,跨境收购原先全球排名第4的新加坡上市公司星科金朋。

2015年1月,长电科技对外公布了将要约收购星科金朋的消息,交易金额达到7.8亿美元,引起全行业巨大反响。

财报资料显示,星科金朋2013年营收为15.99亿美元,在全球封测领域排名第4,而长电科技营收8.5亿美元,只有星科金朋的一半左右,排名全球第6。显然,长电科技单凭一己之力难以完成此次收购。

在这背后,“国家队”出了大力气。首先,这7.8亿美元全部是现金,里面长电科技仅出资2.6亿美元,其他都体现了国家力量——集成电路产业基金,也就是俗称“大基金”出资3亿美元,中芯国际的子公司芯电半导体出资1亿美元,还有中国银行贷款1.2亿美元。

最终,长电科技得以吞下星科金朋,一跃成为全球前3的半导体封测企业。

更重要的是,这次战略并购使之获得了星科金朋在台湾、韩国、新加坡的多个工厂以及全部先进技术(主要包括SiP、eWLB、TSV、3D封装、PiP和PoP等)。同时,星科金朋在欧美地区的销售额占比较高,有助于长电科技顺利打开国外市场。

三巨头中的另外2家——通富微电和华天科技也不乏大手笔并购案例。

通富微电2016年4月,一举出资3.71亿美元收购了AMD苏州和AMD槟城两家封测厂85%的股权,并购之后更名为通富超威苏州和通富超威槟城。

这2家工厂原本就是AMD大部分产品的封测工厂。收购完成后,通富微电不仅获得了其工艺和研发能力,也继承了之前的业务,与大客户AMD深度绑定。2019年,来自AMD的订单为通富带来了40.77亿营收,占通富全年营收的49.32%。

华天科技于2014年12月与美国FCI公司签署了《股东权益买卖协议》,2015年完成股权交割。公司旗下的封装测试产品有12大系列200多个品种,集成电路年封装能力达到100亿块。

政策扶植未来

为推动我国集成电路封测行业良性发展,国家相继出台了一系列鼓励扶持政策,从税收、资金、人才培养等多方面扶持和推动集成电路产业的发展。

下图汇总2020年1月以来全国和重点省市集成电路政策:

目前,全球半导体产业整体成长放缓,全球半导体面临结构调整和产业链产能的重新分析。从产业转移的角度来看,目前大部分集成电路封装企业已经将生产线转移到亚洲,随着代工模式的兴起,我国封测企业将有更多的机会。