1、IC封装基板是啥?
IC封装基板是芯片封装环节的核心材料,具有高密度、高精度、高性能、 小型化及薄型化等特点,与裸片(die)、引线等经过封装测试后共同组成芯片。IC封装基板不仅为芯片提供支撑、散热和保护作用,同时在芯片与PCB之间提供电子连接,起着“承上启下”的作用,甚至可埋入无源、有源器件以实现一定系统功能。
图:IC封装基板图示,来自和美
2、封装基板分类
按照基板材料不同,IC封装基板可分为硬质封装基板(刚性)、柔性封装基板和陶瓷封装基板,其中硬质封装基板应用最为广泛。
硬质封装基板按主要原材料可分为BT封装基板、ABF封装基板和MIS封装基板,其中BT封装基板与ABF封装基板应用最为广泛。
按照IC封装基板与裸芯片连接侧的封装工艺不同,封装基板可分为引线键合(WB)封装基板与倒装(FC)封装基板。
按照基板与PCB连接侧的封装工艺不同,封装基板可分为球栅阵列封装(BGA)、插针网格阵列封装(PGA)、栅格阵列封装(LGA)、芯片尺寸封装(CSP)、板在芯片上封装(BOC)等。
按照应用领域不同,封装基板可分为存储芯片封装基板、逻辑芯片封装基板、传感器芯片封装基板以及通信芯片封装基板等。
图:IC封装基板分类,来自和美
芯片经过设计、制造之后,需要进行封装测试,IC封装基板用于IC的封装环节,然后再进行PCB的插件、贴片等工序。
图:IC封装基板在IC产业链中的位置,来自和美
存储芯片封装基板包括:移动存储芯片封装基板(一般采用WB-CSP工艺、BT材料)、固态存储芯片封装基板(一般采用WB-BGA工艺、BT材料)、嵌入式存储封装基板(一般采用WB-BGA工艺、BT材料)、易失性存储芯片封装基板(一般采用WB-BGA工艺、BT材料)。
图:存储芯片封装基板分类,来自和美
非存储芯片封装基板包括:逻辑芯片封装基板(一般采用FC-BGA/LGA/PBGA工艺、BT材料和国产高性能PP材料)、通信芯片封装基板(一般采用WB-BGA工艺、BT材料)、传感器芯片封装基板(一般采用WB-CSP工艺、BT材料)。
图:非存储芯片封装基板分类,来自和美
3、IC封装基板产业链
IC封装基板及对应的应用如下:移动存储芯片封装基板(对应于U盘)、固态存储芯片封装基板(对应固态存储器)、嵌入式存储封装基板(对应嵌入式存储器)、易失性存储芯片封装基板(对应动态存储器)、逻辑芯片封装基板(对应逻辑芯片)、通信芯片封装基板(对应SIM卡等)、传感器芯片封装基板(对应指纹传感器等)。
图:芯片封装基板及对应的应用,来自和美
IC封装基板公司的上游包括原材料和外协加工。采购的原材料包括金盐、覆铜板、铜箔、PP、化工材料、干膜、油墨等。外协加工环节请第三方完成,工艺包括钻孔、终检、飞针探测等。下游包括存储器类客户(如佰维)、封装测试类客户(如华天)等。
图:芯片封装基板公司的上游和下游,来自和美
引线键合(WB)封装基板在芯片封装总成本(不含晶片成本)中占比约为40%-50%,而高端的倒装(FC)封装基板在芯片封装总成本(不含晶片成本)中则更高,占比约为70%-80%。
图:芯片封装基在芯片产业链中的位置,来自和美
行业内IC封装基板的具体分类、示例及应用如下:
图:芯片封装基板的应用(打线技术),来自越亚
IC封装基板按应用领域又可分为两类:一类是应用于模拟芯片的封装基板,模拟芯片运用于模拟IC。无线射频模块芯片是典型的模拟芯片,而运用于这些芯片的封装基板即为无线射频模块封装基板;另一类是应用于数字芯片的封装基板,如基带芯片、应用处理器芯片、内存卡芯片等,用于承载这些芯片的封装基板包括WBBGA、WBCSP、FCBGA、FCCSP等。
图:芯片封装基板的应用(倒装技术),来自越亚
4、IC封装基板工艺分类
IC封装基板的生产主要有两种工艺制程方式:Tenting(减成法)制程和 mSAP(改良型半加成法)制程。
Tenting制程的核心是通过蚀刻等方法去除覆铜板表面多余的铜以获得所需要的导电线路,但由于蚀刻工艺的精度限制,线路在蚀刻过程中需要留足一定量的底铜以防止线路被蚀断,因此Tenting制程通常较难制作线宽/线距30/30μm以下的线路。
图: Tenting 制程工艺流程图(以四层板为例),来自和美
mSAP制程的核心是用干膜将不需要的线路覆盖,然后在覆铜板的超薄铜箔上镀铜加厚所需要的线路,再通过闪蚀工艺将不需要的线路快速去除,以获得最后的导电线路。mSAP制程可以做到线宽/线距25/25μm及以下的产品。
图: mSAP制程工艺流程图,来自和美
IC封装基板主要工序如下:
发料烘烤:去除板材板面潮气水分,稳定基板涨缩尺寸,将板料的热应力消除。
压膜:将感光干膜压覆在基板铜面上。
曝光:激光扫描的方法直接将图像在基板上成像。
显影:通过显影液对曝光的部分干膜固化保留,未曝光的部分干膜溶解去除。
镀铜:通过硫酸铜等药水在铜箔表面镀上一层一定厚度的铜。
去膜:采用退膜液去除板面覆盖的干膜,将需要回蚀部分的引线露出。
蚀刻:1)快速蚀刻(闪蚀):在曝光显影后的薄铜上完成镀铜并去膜后,再对线路间(干膜覆盖部分)的底铜进行快速精准蚀刻最终形成所需要的电路图形,用于 mSAP 制程;2)蚀刻:在镀铜完成后再进行曝光,然后对不需要的铜(干膜未覆盖部分)进行蚀刻最终形成所需要的电路图形。
AOI:自动光学检测,采用光学原理对照资料对蚀刻完成的线路进行检测。
压合:将铜箔、PP 和已制作图形的覆铜板按一定顺序叠合,并在高温高压条件下粘结为一体后形成多层板。
钻孔:通过钻机将钻咀在高转速和落速带动下钻穿覆铜板。
PTH:镀通孔,即通过化学方法在钻孔后基板的孔壁形成一层薄化学铜作为后续电镀铜的基底,然后在基底上镀铜使两面铜箔通过此孔内的导电铜层连通起来。
防焊:将线路图形用防焊漆材料覆盖,防止线路图形表面被空气氧化及保护线路不被其他物质污染而产生短路等问题。
镀金:在裸露的金手指或镍面上镀上一层符合规格要求金厚的不含钴的金层。
成型:高速旋转的铣刀按照铣板程式将基板铣成Strip(长条状)标准外形尺寸。
OSP:通过除油剂进行板面除油,再对基板的铜焊盘进行微蚀后做OSP抗氧化处理,最终使铜焊盘上形成一层有机抗氧化膜。
终检:对基板成品进行检测,包括外观检验(颜色、光泽、粗糙度、毛边、是否有刮伤)、尺寸/孔径的量测、性能的测试(材料的物理/化学特性、电气特性、机械特性),确保产品符合出货规格要求与客户使用要求。
5、IC封装基板市场规模
根据中国台湾电路板协会和 Prismark统计,2022年全球IC封装基板行业整体规模达178亿美元,同比增长24%,预计到2026年规模将达到214亿美元,呈现快速增长的发展态势。
6、全球IC封装基板竞争格局
全球IC封装基板的主要份额被日本、台湾、韩国等企业占据,国产化率较低。根据中国台湾电路板协会统计,中国台湾、韩国与日本的IC封装基板厂商产值占整体产值超过90%。其中,中国台湾IC封装基板厂商为全球最大IC封装基板供应者,占整体产值约38.3%。中国大陆内资自主品牌IC 封装基板厂商占整体产值约3.2%。
图: 全球IC封装基板的市场份额,来自和美
根据中国台湾电路板协会统计,2022年全球BT封装基板产值约为81.8亿美元,占整体封装基板产值约45.9%。韩国BT封装基板厂商产值约占 43.6%,中国台湾BT封装基板厂商产值约占30.3%,日本BT封装基板厂商产值约占15.0%,中国大陆内资自主品牌BT封装基板厂商产值约占7.0%。
图: 全球BT封装基板的市场份额,来自和美
根据中国台湾电路板协会统计,2022年全球ABF封装基板产值约为96.6亿美元,占整体封装基板产值约54.1%。中国台湾ABF封装基板厂商产值约占45.1%,日本ABF封装基板厂商产值约占34.6%,韩国ABF封装基板厂商产值约占12.4%。目前,中国内资企业暂不具备大规模量产ABF封装基板的能力。
图: 全球ABF封装基板的市场份额,来自和美
上世纪90年代开始,日本就走在了全球刚性有机IC封装基板开发、应用的前列。日本生产刚性有机封装基板的厂家主要包括揖斐电(Ibiden)、新光电气工业(Shinko)、京瓷化学(kyocera)等公司。
中国台湾封装基板行业的投资,主要来自封装制造厂和印刷电路板厂。他们通过从美国、日本等引进技术进入该领域,并逐步拥有自主创新开发能力,目前主要生产企业包括日月光材料(ASE Material)、欣兴电子(Unimicron)、南亚电路板(NanYa PCB)、景硕科技(Kinsus)等。韩国企业也是从20世纪末期开始生产制造封装基板,目前主要生产厂家有:三星电机(Semco)、伊诺特(LGInnotek)、大德电子(DaeduckElectronics)、信泰电子(Simmtech)等。
根据中国台湾电路板协会统计,2022 年全球前十大封装基板供应商及市占率分别为:欣兴电子(17.7%)、南亚电路(10.3%)、揖斐电(9.7%)、三星电机(9.1%)、新光电气(8.5%)、景硕科技(7.3%)、LG Innotek (6.5%)、AT&S(6.1%)、大德电子(4.9%)以及信泰电子(4.7%)。
根据中国台湾电路板协会统计,全球BT封装基板前五大厂商分别为 LGInnotek (14.2%)、三星电机(11.9%)、信泰电子(10.3%)、景硕科技(9.5%)以及欣兴电子(7.7%)。
根据中国台湾电路板协会统计,全球ABF封装基板前五大厂商分别为欣兴电子(26.6%),揖斐电(14.6%)、南亚电路(13.5%)、新光电气(12.8%)以及AT&S(8.0%)。
中国大陆刚性有机IC封装基板厂商主要为日本、韩国、中国台湾公司在中国大陆设立的生产基地,如日月光材料(ASEMaterial)、景硕科技(Kinsus)健鼎(Tripod)、美维电子等公司,在大陆设立了生产厂,但这些公司的研发力量主要集中在境外。同时,有少数本土厂商通过引进国外技术、自主研发等途径进入刚性有机封装基板领域。
根据中国台湾电路板协会和Prismark统计,2022年全球IC封装基板产值为178.40 亿美元,其中,中国大陆市场IC封装基板行业(含外资厂商在大陆工厂)整体产值规模为34.98亿美元,外资厂商产值约29.27亿美元(83.68%),内资厂商产值约 5.71亿美元(16.32%)。
我国封装基板产业起步较晚,受关键原料与设备所限,内资企业在技术水平、工艺能力及产业链布局等方面与外资厂商相比尚有差距。2022年中国内资IC封装基板企业产值约5.71亿美元(折合人民币约39.77亿元 ),占全球IC封装基板总产值约3.2%。其中,境内内资企业主要生产BT封装基板,占全球BT封装基板产值约 7%,高端逻辑芯片使用ABF封装基板尚未形成大规模产业化能力。
我国内资企业中,深南电路、兴森科技、和美精艺2022年IC封装基板业务产值分别为25.20亿元,6.90亿元和3.10亿元。
中国内资厂商中可大规模量产存储芯片封装基板的公司主要包括:深南电路、兴森科技、和美精艺。中国内资厂商具备大规模量产存储芯片封装基板实力的公司较少,国产化程度低。其他IC封装基板公司包括珠海越亚等。
7、全半导体封装测试厂商的竞争格局
在芯片封装测试领域,中国内资封测企业占据了全球近30%的市场份额。但在IC封装基板领域,中国内资企业仅占全球IC封装基板市场份额的 3.2%,其中占BT封装基板全球市场份额的7%,ABF封装基板尚未形成大规模国产化能力。IC封装基板与芯片封装测试较大的国产化率差异将会加速IC封装基板国产化替代进程,IC封装基板行业市场前景广阔。
2022年,境内外主要封测厂商营收排名情况如下:
8、IC封装基板的性能指标
IC封装基板最具代表性的通用指标为:线宽/线距、手指中心间距,前述两项参数也充分体现了生产企业的核心制程能力,除前述两个核心参数指标外,线路层数、板厚等参数也通常作为产品的通用指标进行列示。此外,量产制程能力和样品制程能力同样为考验行业企业技术水平的重要指标。
相较于普通PCB,IC封装基板在线宽/线距、板厚、制备工艺等多项技术参数上都要求更高。PCB板线宽/线距通常在 50-100μm 之间,板厚通常在 0.3-7mm之间,无法满足芯片封装的技术要求;HDI板线宽/线距通常在 40-60μm之间,板厚通常在 0.25-2mm之间;IC封装基板线宽/线距在 8-40μm之间,板厚在0.1-1.5mm之间。PCB、HDI板、IC封装基板的主要指标对比情况如下表所示:
根据基板基材、封装工艺的不同,IC封装基板的核心性能参数及下游应用领域也存在较大差异,具体情况如下:
内资厂商在高端 FC-BGA 封装基板领域与境外主要IC封装基板企业存在较大技术差距。目前,内资厂商均在积极布局FC-BGA封装基板产品,但尚未形成大规模量产能力知名IC封装基板企业产品技术参数的对比情况:
IC封装基板根据基材材质、层数、线宽/线距、手指中心间距等核心参数的区别,需要选择不同生产设备和工艺路线,定制化程度非常高,整个生产过程涉及材料学、光学、化学、电磁学、自动化控制、检测等众多跨专业学科,以及几十甚至上百道工序。在生产过程中,任何一个技术盲点或工艺缺陷都可能会导致产品缺陷。此外,为了匹配下游芯片的快速迭代,IC 封装基板生产企业需要不断地在新产品、新工艺等领域研发创新,在工艺制程、产品性能、自动化水平等方面不断突破技术瓶颈。
因此,IC 封装基板生产企业需要经过长期的技术积累和经验总结,才能完全掌握整个生产工艺,形成自身的核心技术,并需要持续的研发创新,对于拟进入行业的企业构成较高的壁垒。