集成电路封装行业发展现状及面临的机遇和挑战

集成电路封装在电子学金字塔中的位置既是金字塔的尖顶又是金字塔的基座。从电子元器件(如晶体管)的密度这个角度上来说,集成电路代表了电子学的尖端。但是集成电路又是一个起始点,是一种基本结构单元,是组成我们生活中大多数电子系统的基础。同样,集成电路不仅仅是单块芯片或者基本电子结构,集成电路的种类千差万别,因而对于封装的需求和要求也各不相同。目前,中国集成电路产业正处于一个快速发展阶,集成电路封装行业因为符合国家战略发展方向,有完善的政策资金支持,一直保持着稳定增长的势头。下面,笔者将详细介绍集成电路封装技术发展历史、行业发展现状、发展规模、推动因素以及面临的机遇和挑战。


 1、集成电路封装技术“演变史”


集成电路封装技术的演变主要为了符合终端系统产品的需求,为配合系统产品多任务、小体积的发展趋势,集成电路封装技术按高密度、高脚位、薄型化、小型化的方向演变。半导体行业对集成电路封装技术水平的划分存在不同的标准,目前国内比较通行的标准是采取封装芯片与基板的连接方式来划分,总体来讲,集成电路封装封装技术的发展可分为四个阶段:


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第一阶段:20世纪80年代以前(插孔原件时代)。


封装的主要技术是针脚插装(PTH),其特点是插孔安装到PCB上,主要形式有SIP、DIP、PGA,它们的不足之处是密度、频率难以提高,难以满足高效自动化生产的要求。


第二阶段:20世纪80年代中期(表面贴装时代)。


表面贴装封装的主要特点是引线代替针脚,引线为翼形或丁形,两边或四边引出,节距为1.27到0.4mm,适合于3-300条引线,表面贴装技术改变了传统的PTH插装形式,通过细微的引线将集成电路贴装到PCB板上。主要形式为SOP(小外型封装)、PLCC(塑料有引线片式载体)、PQFP(塑料四边引线扁平封装)、J型引线QFJ和SOJ、LCCC(无引线陶瓷芯片载体)等。它们的主要优点是引线细、短,间距小,封装密度提高;电气性能提高;体积小,重量轻;易于自动化生产。它们所存在的不足之处是在封装密度、I/O数以及电路频率方面还是难以满足ASIC、微处理器发展的需要。


第三阶段:20世纪90年代出现了第二次飞跃,进入了面积阵列封装时代。


该阶段主要的封装形式有焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、无引线四边扁平封装(PQFN)、多芯片组件(MCM)。BGA技术使得在封装中占有较大体积和重量的“管脚”被“焊球”所替代,芯片与系统之间的连接距离大大缩短,BGA技术的成功开发,使得一直滞后于芯片发展的封装终于跟上芯片发展的步伐。CSP技术解决了长期存在的芯片小而封装大的根本矛盾,引发了一场集成电路封装技术的革命。


第四阶段:进入21世纪,迎来了微电子封装技术堆叠式封装时代,它在封装观念上发生了革命性的变化,从原来的封装元件概念演变成封装系统。


目前,以全球半导体封装的主流正处在第三阶段的成熟期,PQFN和BGA等主要封装技术进行大规模生产,部分产品已开始在向第四阶段发展。发行人所掌握的WLCSP封装技术可以进行堆叠式封装,发行人封装的微机电系统(MEMS)芯片就是采用堆叠式的三维封装。


 2、中国集成电路封装技术发展现状


经过60多年的发展,集成电路产业随着电子产品小型化、智能化、多功能化的发展趋势,技术水平、产品结构、产业规模等都取得举世瞩目的成就。就集成电路封装类型而言,在它的三个阶段发展过程中,已出现了几十种不同外型尺寸、不同引线结构、不同引线间距、不同连接方式的电路。由于它们对应不同的应用需求,如,在功能上有大功率、多引线、高频、光电转换等,在中国及全球多元化的市场上,目前及未来较长一段时间内都将呈现并存发展的格局:(1)直插封装工艺成熟、操作简单、功能较单一,虽然市场需求呈缓慢下降的趋势,但今后几年内仍有巨大的市场空间;(2)表面贴装工艺中,两边或四边引线封装技术如SOP、PLCC、QFP、QFN、DFN等已发展成熟,由于其引脚密度大大增加且可实现较多功能,应用非常普遍,目前拥有三类中最大的市场容量,未来几年总体规模将保持稳定;面积阵列封装技术如WLCSP、BGA、LGA、CSP等技术含量较高、集成度更高,现阶段产品利润高,产品市场处于快速增长阶段,但基数仍然相对较小;(3)高密度封装工艺如3D堆叠、TSV等仍处于研发阶段,鉴于该类技术在提高封装密度方面的优异表现,待实用化后将迎来巨大的市场空间。


我国目前集成电路封装市场中,DIP、SOP、QFP、QFN/DFN等传统封装仍占据我国市场的主体,约占70%以上的封装市场份额;BGA、CSP、WLCSP、FC、TSV、3D堆叠等先进封装技术只占到总产量的约20%。主要市场参与者包括大量的中小企业、部分技术领先的国内企业和合资企业,市场竞争最为激烈。华润安盛科技等中等规模国内企业由于工艺成熟、在直插封装和表面贴装中的两边或四边引线封装方面有技术创新,质量管理和成本控制领先,近几年来,经济社会效益好,企业发展快。在表面贴装的面积阵列封装领域,除了有技术、市场优势的跨国企业外,我国长电科技、通富微电(002156,股吧)、华天科技(002185,股吧)等企业凭借其自身的技术优势和国家重大科技专项的支持,逐步接近甚至部分超越了国际先进水平。高密度封装工艺目前仍处于研发阶段,尚未实现量产。


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 3、我们集成电路封装行业发展规模


我国集成电路封装测试业整体呈稳步增长态势,本土集成电路市场内生增长前景广阔,内资企业与外资、合资企业的技术、规模差距不断缩小,我国封测业面临前所未有的发展机遇。但是国内封测业的发展也面临制造业涨薪潮、大批国际组装封装业向中国大陆转移、整机发展对元器件封装组装微小型化等要求等重大挑战。


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据DIGITIMES最新调查研究显示,预计2018年中国集成电路封测产值可望突破300亿美元,达到333亿美元,同比增长19.20%。主因来源于国内半导体市场快速成长之需,并以本土封测厂为主的产能扩张,藉由并购所获得高技术外溢效果发酵。2017年中国三大本土领先厂(长电科技、通富微电、天水华天)营收总值比重首次高于20%(25%),产业集中度攀升。2017年长电科技位居全球第三甲,天水华天位列第六位、通富微电位列第七,2018年更上一个台阶。


 4、推动我国集成电路封装行业发展的因素


集成电路封装产业的核心在于制造业,制造业对整个产业链的拉动作用,“十三五”期间,在我国充分发挥市场配置资源的决定性作用和更好发挥政府作用的发力下,集成电路封装行业将面临巨大发展机遇。


一是当前国家信息安全已上升到国家战略,将会通过“换芯”工程等举措实施芯片国产化战略,这也意味着未来在党政军的采购中,将会大规模采购国产芯片,给我国集成电路产业带来巨大的市场需求。同时,在供给侧结构性改革的驱动下,高端供给能力的提升,每年2000亿美元以上的进口市场份额也将给进口替代带来巨大市场空间。规模超千亿元的国家集成电路产业发展基金将给集成电路制造业带来更多活力。


二是集成电路产业不再依赖CPU、存储器等单一器件发展,移动互联、三网融合、多屏互动、智能终端带来了多重市场空间,商业模式不断创新为市场注入新活力。此外,先进集成电路在进入20nm甚至是14nm制程之后已经逐渐进入瓶颈,生产技术正孕育新的突破,如异质架构器件、3D制造、3D封装、纳米材料,传统工艺还有很大市场空间,特别是数模混合领域。这也是我国集成电路制造业实现“由‘跟跑者’向‘并行者’、‘领跑者’转变”的良好时机。


三是随着我国经济发展方式的转变、产业结构的加快调整,以及新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展,中国制造2025、中国互联网+、物联网等国家战略的实施将给集成电路带来巨大的市场需求。如物联网解决方案市场规模在2020年将达到7.2万亿美元,与物联网相连的终端出货量将达到500亿件,对传感器、微控制器和射频芯片的需求让集成电路有了全新的市场。集成电路制造业将获得更多的国内市场支撑。


中国集成电路封装行业在中国产业升级大时代背景下,有完善的政策资金支持;同时,中国消费电子产业的崛起,工程师红利,使得中国集成电路封装业的崛起是历史必然趋势。


 5、我国集成电路封测业面临的机遇和挑战


机遇来临的同时,国内封测产业也面临诸多挑战。首先是技术、人才、管理等尚有差距。国内封测企业缺少顶尖人才和领军人才,再加上国外知识产权的垄断,智能化、信息化、国际化知识水平不足,使得国内封测企业的国际化管理水平仍有待提高。


其次是兼并收购助力封测业做大做强,但难度增大。近几年,中国资本出海收购的案例越来越多。然而,海外并购也已引起西方国家的重视,针对中国企业并购采取更为严厉的审查,中国资本收购国外企业的难度变大。


最后是上游晶圆厂向下游延伸,挤压封测业成长。由于晶圆级封装已经成为主要发展趋势,台积电已经建立封测基地,从事封测业务。长电科技、华天科技、通富微电也都开展和晶圆厂的合作,积极布局中道封装。


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