半导体封装技术.docx
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半导体封装技术
随着半导体技术的发展，摩尔定律接近失效的边缘。
产业链上IC设计、
晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术门槛也越来越高，资
本投入越来越大。
由单个企业覆盖整个产业链工艺的难度显著加大。
半导
体产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。
全球半导体产业整体成长放缓，产业结构发生调整，产能在区域上重新分
配。
半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势在半导体产
业链中有不同侧重地发展。
封装产能转移将持续，外包封装测试行业的增
速有望超越全行业。
芯片设计行业的技术壁垒和晶圆制造行业的资金壁垒决定了，在现阶段，
封装测试行业将是中国半导体产业发展的重点。
在传统封装工艺中，黄金成本占比最高。
目前采用铜丝替代金丝是一个大
的趋势。
用铜丝引线键合的芯片产品出货占比的上升有助于提高封装企
业的盈利能力。
半导体封装的发展朝着小型化和多I/O化的大趋势方向发展。
具体的技术
发展包括多I/O引脚封装的BGA和小尺寸封装的CSP等。
WLSCP和
TSV等新技术有望推动给芯片封装测试带来革命性的进步。
中国本土的封装测试企业各有特点：
通富微电最直接享受全球产能转移；
长电科技在技术上稳步发展、巩固其行业龙头地位；华天科技依托地域优
势享受最高毛利率的同时通过投资实现技术的飞跃。
中国本土给封装企业做配套的上游企业，如康强电子和新华锦，都有望在
封装行业升级换代的过程中提升自己的行业地位。
风险提示：
全球领先的封装测试企业在中国大陆直接投资，这将加大行
业内的竞争。
同时用工成本的上升将直接影响半导体封装企业的盈利能
力。
半导体封装产能持续转移
半导体封装环节至关重要
半导体芯片的大体制备流程包括芯片设计->圆晶制造->封装测试。
所谓半导体
“封装（Packaging）”，是半导体芯片生产过程的最后一道工序，是将集成电路用绝
缘的材料打包的技术。
封装工艺主要有以下功能：
功率分配（电源分配）、信号分配、
散热通道、隔离保护和机械支持等。
封装工艺对于芯片来说是必须的，也是至关重要
的一个环节。
因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造
成电气性能的下降。
另外，封装后的芯片也更便于安装和运输。
可以说封装是半导体
集成电路与电路板的链接桥梁，封装技术的好坏还直接影响到芯片自身的性能和PCB
的设计与制造，
产业分工精细化
随着半导体产业的发展，“摩尔”定律持续地发酵，IC芯片集成度以几何级数
上升，线宽大幅下降。
以INTELCPU芯片为例，线宽已经由1978年推出的8086的
3μm发展到2010年推出Corei7的45nm,对应的晶体管集成度由2.9万只发展到
7.8亿只。
产业链上IC设计、晶圆制造、封装测试各个环节的难度不断加大，技术
门槛也越来越高。
同时随着技术水平的飞升和规模的扩大，产业链中的多个环节对资
本投入的要求也大幅提高。
由单个企业做完覆盖整个产业链工艺的难度越来越大。
在
这样的大环境下，产业链向专业化、精细化分工发展是一个必然的大趋势。
目前全球的半导体产业链大致可以归纳为几大类参与者：
IDM集成设备制造商；
Fabless芯片设计商；Foundries晶圆制造商；Packaging（Assembly&Test）封装测试
商；以及SemiEquipment&Materials半导体设备和原料供应商等。
在半导体产业发展的初期，大多数企业都覆盖集成电路制造整个产业链的全部工
序，从芯片设计到晶圆制造，到最后的封装测试。
这种企业就是所谓的集成设备制
造商IDM（IntegratedDeviceManufacturers）。
目前全球前二十大半导体厂商中，
英特尔、三星、德州仪器、东芝等都是IDM。
在2010年全球前20的半导体企业，虽然IDM企业仍然占据行业的龙头地位，
但是一些专注于产业链中的单一环节的企业的地位已经显著提升。
例如在前20位企
业中出现了专注于晶圆制造的台积电TSMC和专注于芯片设计的Qualcomm、
Broadcom、MediaTek等公司。
中国半导体封装产业长期看好
全球半导体产业增速放缓
2009年由于全球金融危机，半导体产业滑入低谷，全球销售额2263亿美元。
2010年半导体市场状况非常良好，呈现非常强劲的成长。
根据SIA的最新报告，2010
年全球半导体产业销售增长31.8%,市场达到2983亿美元。
SIA预测全球半导体产
业将由10年的快速暴发恢复到平稳成长，销售额在2011年增长6.0%，市场达到
3187亿美元，2012年增长3.4%，市场达到3297亿美元。
中长期来看，我们预计全球半导体产业的成长放缓。
从技术层面来说，由于摩
尔定律接近极限，半导体的技术发展出现了一些瓶颈，集成度再按照几何级数来发展
越来越困难。
从市场层面来分析：
首先，目前电子产品中适合使用集成电路的部件已
经基本都采用了各种各样的芯片，而一些传统元器件，如被动元件，不太可能大规模
地采用集成电路技术来实现的。
现在电子产品中半导体所占比重上升非常缓慢，集
成电路在电子产品中的应用率已经达到S曲线上端的成熟期。
另一个重要原因是半导
体产品的平均价格持续下跌。
而且当半导体产品逐渐从企业应用产品转移到消费类产
品后，由于普通消费者对价格的敏感度较高，半导体产品的价格下跌幅度会更快一些。
最后一个因素就是产能转移。
由于越来越多的半导体产品的业务由发达地区向发展中
地区迁徙，也加速了价格的下跌。
在全球半导体产业整体成长放缓的大趋势下伴随的是产业结构的调整和产业链
产能在区域上的重新分配。
半导体产业发达地区和不发达地区将会根据自身的优势
在半导体产业链中有不同侧重地发展。
封装产能持续转移
传统的IDM厂商面对于半导体技术日新月异的发展步伐和对资本需求的膨胀，
自身也更倾向消减业务覆盖面而集中于自己最具有核心优势的环节，转而向那些针对
其上游或者下游环节的企业进行合作甚至扶持。
最典型的例子就是全球第二大CPU制造商AMD在2009年剥离其制造业务，与
中东的石油资本合作成立圆晶制造代工企业Globalfoundreis,并收购新加坡特许半
导体（Chartered），成为全球第三大圆晶制造代工企业。
INTEL在产能转移上也不甘落后。
目前INTEL在全球拥有15个芯片制造厂，其
中9个是晶圆制造厂，6个为封装测试厂。
由于技术限制出口的原因，INTEL仍然
将主要的晶圆厂保留在美国本土，但是INTEL已经将全部的封装测试厂建造了美国
本土以外，其中5个在亚洲。
日本和欧洲半导体企业在产能转移上也不输给他们的北美对手。
日本企业富士
通自1997年在中国成立合资企业从事封装业务以来，就不断转移其半导体制造业务。
到目前为止已经关闭其位于日本本土的三座封装厂之一，并计划未来将其全部日本
本土封装产能转移到中国。
东芝半导体在2010年关闭日本本土封装厂，目前晶圆制
造外包给台积电和三星，封装外包给中国大陆和台湾企业，外包比率已经达到了
80%。
而且飞思卡尔、赛意法等全球的知名半导体企业都已经在中国设立了芯片封装
测试基地。
根据调查机构Gartner2010年3月的预测，2009年全球半导体封装测试市场
萎缩16.4%，市场规模达到380亿美元。
其中外包代工封装市场达到172亿美元，
占比45.2%。
随着2010年全球经济的恢复，Gartner预计半导体封装市场将强劲
反弹17.7%，市场规模达到448亿美元，而外包代工封装市场将达到217亿美元，
增幅26.2%。
预计在2010-2014年，半导体封装市场将增长到591亿美元，而其
中外包代工市场的增速持续高于全行业，占比保持上升趋势，有望在2011、2012
年超过IDM封装市场。
全球半导体产业在吸取了2000年互联网泡沫破灭的教训后，已经改变了肆意投
资的策略，谨慎控制产能，积极改善财务结构，低负债经营成为业界共识。
除此之
外，IDM大厂外包的进程加快，为封装产业创造出更多的机会。
总体上来看，整个
产业进入一个“质变”的过程，特征为企业轻资产经营、IDM加快外包、市场转向中
国大陆等发展中地区。
在未来几年年，封装产业成长超过有望超过整个半导体以及晶
圆代工产业。
我们预计半导体产业类精细分工和产能转移的大趋势仍让将延续，而
国内的半导体企业有望把握这一趋势而迎来一轮新的发展。
封装是中国半导体产业的重心
政策大力扶植半导体产业
整体来看，中国半导体产业相对落后于美国、日本、韩国和台湾等地区。
具体
的表征有：
第一，从业企业少；第二，产业链覆盖不全；第三，技术依赖进口，相对
落后。
针对产业落后的现状，国家也加大了政策的扶持力度。
基于集成电路对于国
民经济和国家安全的高度重要性，中国政府对集成电路产业的发展给予了一贯的高度
关注，并先后采取了多项优惠措施。
2000年6月形成的《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（老18号
文）和后续的实施细则对芯片企业实施了税收优惠。
2008年1月，财政部和国家税
务总局发布了《关于企业所得税若干优惠政策的通知》，对集成电路企业所享受的所
得税优惠政策进一步给予明确。
2009年2月通过的《电子信息产业调整振兴规划》
中，更是将“建立自主可控的集成电路产业体系”作为未来国内信息产业发展的三大重
点任务之一，并在五大发展举措中明确提出“加大投入，集中力量实施集成电路升级”。
2011年《关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》（新18号文件）
也顺利出台。
在财税政策方面，“新18号文”的相关优惠政策有9条之多，比18号
文多出4条。
除继续执行原“18号文件”确定的软件增值税优惠政策外，其它税收
优惠也得到进一步强化和完善在加紧制定当中。
新政较原文件又一差异，主要还增加
了投融资支持等元素，首次提出了从税收和资金方面全力促进软件产业和集成电路产
业的优势企业发展壮大和兼并重组，加强产业资源整合。
这将有助于行业集中度的进
一步提升。
除此之外，在国家确立的十六个科级重大专项中，有两个都和半导体产业密切
相关。
其中"核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品"（核高基）重大专项的主
要目标是：
在芯片、软件和电子器件领域，追赶国际技术和产业的迅速发展，攻克高
端通用芯片、基础软件和核心电子器件的关键技术。
而“极大规模集成电路制造装备
与成套工艺专项”（02专项）则是专门针对提高我国集成电路制造产业的整体水平，
攻克极大规模集成电路制造核心技术。
根据国家发展规划和战略，预期未来国家还将出台更多针对集成电路产业的优
惠，这将有力地推动我国集成电路产业的健康稳步发展。
芯片设计技术投入大，壁垒高
我们仔细分析半导体产业链上下游各个工艺，各个环节之间的行业特征越来越明
显，差异越来越大。
首先看轻资产的芯片设计（Fabless）业务，这是一个高度技术
密集的产业。
欧美、日本企业经过几十年的技术积累，现在已经基本把芯片设计的
核心技术掌握在手中，并且建立了垄断的态势。
芯片设计企业需要对研发投入大量的资金。
由下图所示的研发费用的占比我们可
以看出，以高通Qualcomm为代表的芯片设计企业需要对研发保持高度的资金投入，
台积电TSMC所代表的圆晶制造企业和日月光ASE代表的封装测试行业对研发资金
的投入远远低于设计行业，而又以封装测试行业的技术投入需求最低。
晶圆制造资金投入大，难切入
再来看晶圆制造（Foundry）业务，这是一个资本和技术密集产业，但以资本密
集为主。
晶圆厂的关键设备-光刻机的价格在千万美元到亿美金级别，一个圆晶工厂
的投资现在是以十亿美金的规模来计划。
同时，从技术的角度来看，未来摩尔定律持续推进的难度日益增加，研发费用
也必然逐步上升。
以台积电TSMC为例，在过去五年研发人员扩充三倍，同一期间
研发支出增加两倍强。
其最重要的原因就是摩尔定律接近极限而导致的技术开发难度
加大。
摩尔定律预测半导体的集成度每18个月就翻番。
回顾历史，摩尔定律是正确
的，集成电路的线宽已经微米级别发展到纳米级别。
同时晶圆制造技术的升级换代也
加快，从微米级别加速进步到纳米级别，从90nm到65nm到目前CPU普遍采用的
45nm技术的更新时间间隔缩短，目前已经在开展20nm级别的制程研究中。
但是现
在，光学显影的方法已经发展到了极限，很难再进一步缩减晶片尺寸。
未来，将需
要转换到非光学显影的方法，这意味着更高的成本。
根据InternationalBusinessStrategies（IBS）公司的分析，随着摩尔定律的发展，
芯片集成度的提高和线宽的减小，全球晶圆企业中能够提供相应技术的公司数目由
0.13um技术时代的15家萎缩到45纳米技术时代的9家。
IBS预计在32纳米和
22纳米时代将分别只剩下5家和3家公司能提供相应技术的圆晶制造服务。
“马太
效应”将在晶圆制造产业显著体现。
封装测试行业最适合中国发展半导体产业
最后再来看芯片封装（Package）行业，这是一个技术和劳动力密集产业，在半导
体产业链中是劳动力最密集的。
我们参考台湾本土半导体产业链中的联发科、台积
电、日月光和矽品的人均创造营收指标，可以看出，专注于技术的IC设计行业人均
创造营收大约是圆晶制造行业的3倍左右，大约是封测行业的10倍左右。
技术和资
本密集的晶圆制造环节人均创造营收大约为芯片封装环节人均创造营收的3倍左右。
半导体产业这两个中下游的环节在人力成本上具有显著区别。
考虑到中国半导体产业的综合水平，我们认为半导体封装测试环节是最适合中
国企业切入全球半导体产业链的。
基本逻辑也很明确，芯片设计领域技术壁垒很高，
中国目前半导体产业薄弱的技术储备不具备实力去直接抢夺国际大厂商的市场，中国
芯片设计企业还只能在一些小行业里从事一些比较初级的开发作业，不具备国际竞争
的实力。
而在晶园制造行业，一方面技术更新换代进程加快，另一方面对资金、技
术的要求较高，风险较大，行业的“马太效应”明显，目前新企业进入园晶制造行业
的难度不断增大。
半导体封装行业是集成电路产业链三层结构中技术要求要求最低，
同时也是劳动力最密集的一个领域，最适合中国企业借助于相对较低的劳动力优势
去切入的半导体产业的。
半导体封装测试是全球半导体企业最早向中国转移的产业。
近几年来，中国封装
测试企业快速成长，国外半导体公司也向中国大举转移封装测试产能，封测业务外包
已成为国际IC大厂的必然选择，从2007年至今已有10多家IDM企业的封测工厂关
闭，中国的半导体封装测试行业充满生机。
封装测试行业已成为中国半导体产业的主
体，占据着半壁江山，而且在技术上也开始向国际先进水平靠拢。
全球封测产能向中
国转移加速，中国封测业市场继续呈增长趋势，半导体封测业面临着良好的发展机遇。
根据中国半导体行业协会的统计，2010年上半年中国集成电路产量为302.5亿
块，行业实现销售收入666亿元，与2009年上半年同期增长45.1%。
其中芯片设计
业销售规模达到128.47亿元，同比增速9.8%；芯片制造业销售收入为209.21亿元，
同比增长51%，而封装测试也销售收入规模为328.35亿元，同比增长61.4%。
根
据协会初步统计，2010年中国集成电路产业销售额为1424亿元，其中芯片设计业
销售383亿元，芯片制造业销售409亿元，封装测试行业销售额为632亿元。
封装
测试环节是我国集成电路产业链中相对成熟的环节，其产值一度占据我国集成电路产
业总产值的70%。
“近年来，由于我国集成电路设计和芯片制造业的快速发展，封测
业所占比例有所下降，但仍然占据我国集成电路产业的半壁江山。
随着‘摩尔定律’
日益接近其物理极限，业界越来越深刻地认识到，在‘后摩尔定律’时代，封测产业
将挑起技术进步的大梁。
”反观台湾半导体产业的产值分布是以晶圆制造为重，芯
片设计和封装测试并列的局面。
我们预测未来全球的半导体行业在将呈现很明显的区域特征。
欧美和日本的格
局是芯片设计>晶圆制造>封装测试，台湾的格局是晶圆制造>芯片设计>封装测试，
而中国的格局是封装测试>芯片设计>晶圆制造。
半导体封装技术浅析
根据集成电路的不同需求，可以采取不同的封装形式。
目前在市面上存在多种广
泛使用的封装形式。
而且这个封装模式本身也在随着技术的发展而逐渐演进。
芯片封装技术已经历经了好几代的变迁，代表性的技术指标飞速发展，包括芯
片面积与封装面积之比越来越接近，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，以
及引脚数目增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高等等。
这些变化的最根本因素来自于市场需求。
从80年代中后期开始，电子产品正朝
便携式和小型化、网络化和多媒体化发展，这种市场需求对电路组装技术提出了相应
的要求：
单位体积信息的提高和单位时间信息的提高。
为了满足这些要求，势必要提
高电路组装的功能密度，这就成为了促进芯片封装技术发展的最重要因素。
从封装技术的发展历程看，半导体封装技术发展包括5个发展阶段，沿3个趋势
发展：
尺寸缩小、功能转换与性能提高、技术融合。
最早出现的封装型态DIP正在快
速萎缩，目前，全球半导体封装的主流技术正处在第三阶段的成熟期，以CSP和BGA
等主要封装形式进行大规模生产，同时也在向第四、第五阶段发展。
未来的封装技术发展方向包含以下的一些方式：
圆晶级封装（WLCSP），覆晶
封装（FlipChip）,系统封装（SiP）,硅穿孔（Through-Silicon-Via），射频模组（RF
Module），Bumping技术的印刷（Printing）和电镀（Plating）等。
目前，发达国家在技术水平上占有优势，国际集成电路封装技术以BGA、CSP
为主流技术路线，而中国本土封测厂商产品以中、低端为主，封装形式以DIP、SOP、
QFP为主，并在向BGA、CSP发展的道路中。
提升内地集成电路企业的实力，促进
其技术升级是做强内地集成电路企业的必由之路。
封装形式演进带来工艺流程变革
半导体芯片的封装针对不同的封转方式在工艺流程设计上略有不同，现在普遍采
用的DIP、SOP等封装都沿用下图所示的一个工艺流程，主要的工艺包含：
贴膜-
打磨-去膜-切割-粘贴-键合-压膜-烘焙-电镀-印字-引脚成型。
现在一些新的封装形式，如BGA和CSP系列，所采用的工艺流程、具体操作
和上图有所不同。
而且随着封装技术的不断进步，整个工艺流程以及在某些环节都
出现了一些变化。
键合材料之铜代替金
封装模式在发展，封装所用的材料也在进步。
在半导体封装工艺过程中较为关
键的一个步骤就是引线键合工艺，也就是把芯片电极面朝上粘贴在封装基座上，用金
属丝将芯片电极（Pad）与引线框架上对应的电极（Lead）通过焊接的方法连接的过
程。
引线键合的目的是把半导体芯片和外部封装框架电气导通，以确保电信号传递的
畅通。
键合的焊接方式有热压焊、超声焊和金丝球焊三种。
其中最具代笔性的是金丝
球焊。
其主要的流程是将底座加热到300摄氏度，把金丝穿过陶瓷或者红宝石劈刀
中毛细管，用氢气火焰将金丝端头烧成球后再用劈刀将金丝球压在电极上实现焊接
键合。
金属导线材料的选择会影响到焊接质量、器材可靠性等方面。
理想的材料应该
达到下面的性能要求：
可与半导体材料形成良好的接触，化学性能稳定，与半导体
材料间有很强的结合力，导电性能良好，容易焊接，在键合过程中可以保持一定的形
状。
黄金作为一种金属，它化学性能稳定，导电性能好，延展性能优异，容易加工
成丝，因此成为键合的首选材料。
由于其优异的性能，目前半导体封装行业大多是
采用金线键合
但是由于黄金作为贵重金属，具有明显的稀缺性，价格昂贵，导致封装成本高。
随着封装技术的发展，铜丝价格低廉，机械、电子、热学性能优异，因此被认为是
金丝最好的替代品。
与金丝键合工艺相比，采用铜丝键合在工艺上存在几个主要的
问题。
首先是铜丝容易氧化，氧化后焊接难度大；第二是铜丝硬度高，在键合过程
中容易对芯片形成损伤；第三是形球过程中铜球表面容易形成铜氧化物；最后在封装
后铜丝容易受到塑封材料中卤化物的腐蚀。
随着世界黄金价格的不断上涨，以及对铜丝物理、化学特性的实验改进，在高
密度封装要求以及半导体制造业成本的多重压力之下，铜丝键合工艺面临新的机遇。
铜丝成本不到金丝成本的30%，这是绝对优势，也是推动工艺不断进步的最大动力。
铜丝键合是目前半导体行业重点发展的一项新焊接技术，许多世界级半导体企业纷纷
投入开发这种工艺。
根据2010年1月SEMI公布的铜引线键合的调查，有41％的半导体厂商使用铜
引线键合。
在铜引线键合的购买比例中，台湾占到全球的39％，菲律宾占到全球的
18％，日本占3％。
铜引线键合的先行者—台湾日月光ASE表示，“采用铜引线键合
的封装供货量截至2010年9月累计达到了10亿个，实现了不亚于金线的质量”。
另
外，台湾日月光集团预计2010年底的累计供货量将达到20亿个，2010年底之前将
购买4000台铜引线键合装置。
从日月光ASE2010年第一季、第二季的财报上就可
以明显看出铜引线键合所带来的毛利率提升效应，第二季单季获利大增36%，表现优
于预期。
日月光ASE预计在2010年，铜引线键合芯片的出货量将超过传统的金丝键
合芯片。
在封装行业内，对于在采用铜引线键合技术较为领先的企业，在二级市场估值
上往往享受一定的溢价。
参照同在台湾市场的日月光ASE和矽品SPIL，我们可以
发现市场对日月光ASE的认可度好于矽品SPIL，给予日月光ASE一定的估值优惠。
我们理解这是市场对于日月光ASE在铜引线键合技术方面的领先的一种肯定。
高密度、多引脚-BGA
随着电子产品向便携式、小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组
装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中球栅阵列封装BGA
（BallGridArray）就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术，现在很多新产
品设计时大量地应用这种器件。
根据ICInsight的统计，2005年全球采用BGA和CSP封装的芯片出货大约为
200亿颗，约占17%，而ICInsight预计这一数字在2010年将达到700亿颗，占
比达到39%。
BGA技术的研究始于20世纪60年代，最早被美国IBM公司采用。
在20世纪
80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了较高的要求。
为了适应这一需求，
QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm。
由于引脚间距不断缩小，I/O引
线数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率
下降和组装成本的提高。
另一方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，
0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。
当集成电路的引脚
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