先进封装设备，国产进程加速

文 | 半导体产业纵横

在半导体行业步入“后摩尔时代” 的当下，芯片制程工艺的物理极限倒逼技术创新转向封装领域。先进封装技术凭借其突破传统封装的高密度集成、高性能优化及成本优势，成为推动 AI、HPC、5G 等前沿领域发展的核心引擎。特别是随着国产 AI 芯片在大模型训练推理与终端应用中的加速渗透，对 CoWoS 等先进封装技术的需求呈井喷式增长。

但先进封装技术并非传统封装的简单延续，而是在封装密度、性能、功能等方面实现了显著的提升。相比于传统封装，先进封装对设备的要求越来越高。

什么是先进封装技术？

半导体封装作为半导体制造工艺的后道工序，有着极为关键的作用，它为芯片和印制线路板之间提供电互联、机械支撑、机械和环境保护以及导热通道。从广义上来说，封装工艺可分为0级到3级封装等四个不同等级，一般主要涉及晶圆切割和芯片级封装。0级封装为晶圆（Wafer）切割，1级封装为芯片（Die）级封装，2级封装负责将芯片安装到模块或电路卡上，3级封装将附带芯片和模块的电路卡安装到系统板上。

封装技术最早是以双列直插封装DIP为主的直插型封装。到了20世纪80年代，顺应电子设备系统小型化和集成电路薄型化的要求，封装技术迎来第一次重大变革，从通孔插装进入到表面贴装时代，衍生出了SOP（Small Out-line Pacakage，小外形封装）、LCC（Leadless Chip Carrier，无引脚芯片载体）以及QFP（Quad Flat Package，扁平方形封装）等。20世纪90年代前中期，封装技术发生第二次重大变革，以BGA（Ball Grid Array Package，球栅阵列封装）为代表的先进封装技术开始涌现，封装朝着高引脚数量、高集成的方向迈进。20世纪90年代中期至2000年后，随着封装尺寸进一步缩小以及工作频率增加，CSP（Chip-Scale Package，芯片级封装）、WLP（Wafer-Level Package，晶圆级封装）、SIP（System In a Package，系统级封装）、2.5D/3D封装等开始出现，由此半导体封装正式进入先进封装时代。

传统封装主要是用引线框架承载芯片的封装形式，而先进封装引脚以面阵列引出，承载芯片大都采用高性能多层基板。随着先进制程工艺逐渐逼近物理极限，越来越多厂商的研发方向由“如何把芯片变得更小”转变为“如何把芯片封得更小”，先进封装技术得到快速发展。先进封装采用先进设计思路和集成工艺，对芯片进行封装级重构，可有效提升系统高功能密度。它能在不单纯依靠芯片制程工艺突破的情况下，通过晶圆级封装和系统级封装等方式，提高产品集成度和功能多样化，满足终端应用对芯片轻薄、低功耗、高性能的需求，同时大幅降低芯片成本。

随着芯片封装技术从2D向3D的转型，涌现出多种创新封装技术。在此背景下，CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）技术作为新兴的先进封装方式，备受业界关注。它通过将芯片与晶圆直接结合，显著提升了集成度和性能，为OSAT企业带来了新的发展机遇。

国产AI芯片拉动先进封装需求

先进封装相较于传统封装技术能更好地提升芯片性能和生产效率，其应用场景不断扩展。目前各种不同类型先进封装技术已广泛应用于人工智能（AI）、高性能运算（HPC）、5G、AR/VR等领域，占整体封测市场的比重也在不断提升。

虽然芯片下游应用广泛，但先进封装由于其技术先进性与高昂的成本，目前主要优先应用于对性能要求高或对价格不敏感的高端领域，比如AI芯片。受大模型训练和推理的影响，对于HBM（高带宽存储）等应用先进封装的存储需求快速攀升。高端手机以及正在陆续面世的AI手机、AIPC等AI终端对于使用先进封装的高阶芯片的需求量亦持续水涨船高。自动驾驶未来将向L4、L5等高阶方向发展，对于算力的需求也将会持续提升，有望为先进封装提供新的推动力。

在AI 芯片领域，先进封装技术的应用极为关键。随着人工智能技术的飞速发展，AI 芯片对于计算速度和算力的要求同步提升，这就使得高速信号传输、优化散热性能、实现更小型化封装、降低成本、提高可靠性以及实现芯片堆叠等成为封装领域新的追求，而先进封装技术恰好能够满足这些需求。例如，HBM通过使用先进封装技术（如TSV硅通孔技术）垂直堆叠多个DRAM，将原本在PCB板上的DDR内存颗粒和GPU芯片同时集成到SiP封装中，使内存更加靠近GPU，既可以节约芯片面积、降低功耗，还可以突破I/O管脚的数量限制进而突破内存带宽的限制，是新一代内存解决方案。

不过此前国内主要采用英伟达的芯片，而随着年初国产开源大模型的火热，带动大模型一体机爆火，国产AI芯片需求迎来一波爆发。随着国产AI芯片的不断更新，对于先进封装的需求也越来越高。

不仅市场需求和空间在不断上扬，先进封装本身的经济效益也节节攀升。以英伟达的H100芯片为例，据业内人士透露，这颗超高算力的GPU芯片总价约为3000美元，其中晶圆制造成本只占200美元，而先进封装的成本则达到723美元，大约是晶圆制造的3.6倍。

随着先进制程的提升越来越困难，先进封装已成为角逐半导体和AI产业的关键，先进封装市场空间将会呈现井喷式发展。

国产设备突飞猛进

传统的封装所采用的设备难度相对较低，目前在已基本实现了国产化。然而，先进封装由于其工艺难度较大，国产化的进程一直较为缓慢。并且在过去，由于市场对先进封装的需求较为低迷，使得先进封装设备的国产化发展一直难以取得明显的进展。

但如今情况发生了改变，随着国产AI 芯片越来越多地采用 CoWoS 等先进封装技术，这极大地推动了键合设备、电镀设备、光刻设备等先进封装设备的需求增长。同时由于国产半导体设备厂商近年来在前道制程进展迅速，而前道工艺和先进封装采用的技术类似，也为先进封装设备的开发奠定了坚实的基础。国内半导体产业在封测环节具备较强的全球竞争力，也为设备国产化提供了有力的支撑。国内头部封测企业积极进行技术升级，加速导入国产设备，从而进一步降低了对进口设备的依赖程度。

目前已经取得了一些关键进展：

华卓精科针对HBM芯片制造的关键环节，独立研发了一系列高端设备，包括混合键合设备（UP-UMA HB300）、熔融键合设备（UP-UMA FB300）、芯粒键合设备（UP-D2W-HB）、激光剥离设备（UP-LLR-300）和激光退火设备（UP-DLA-300），打破了国产HBM芯片的发展瓶颈，为我国存储产业的自主化发展提供了强大的动力。

普莱信智能作为国内唯一具备CoWoS级TCB设备自主研发和生产能力的企业，其技术突破彻底改写了国产设备“跟随者”的角色：其与客户联合开发的Loong系列TCB设备，采用自研“超精密高温纳米运动平台”和“多光谱视觉定位系统”，实现在450度高温，升温速率150度，降温速率50度，±1μm的芯片贴装精度，支持130×130mm超大芯片键合，较国际同行同级别设备效率提升25%；Loong系列兼容晶圆级（12英寸）、板级（620×620mm）封装，支持HBM堆叠等全流程工艺；本次工艺测试的完成，标志着国产TCB设备正式迈入一个全新的阶段。

北方华创的首款12英寸电镀设备（ECP）——Ausip T830，专为硅通孔（TSV）铜填充设计，主要应用于2.5D/3D先进封装领域。电镀作为物理气相沉积（PVD）的后道工艺，其设备与PVD设备协同工作，广泛应用于逻辑、存储、功率器件、先进封装等芯片制造工艺。在工艺流程中，PVD设备首先在槽/孔内形成籽晶层，随后电镀设备将槽/孔填充至无空隙。

盛美上海认为，CoWoS、Fan-Out等先进封装技术将迎来快速增长期。因此，该公司对电镀设备在先进封装领域的应用前景持乐观态度。产品方面，盛美上海面板级水平电镀设备取代了垂直式电镀设备，针对半导体制造过程中面板级封装环节提出了创新性的解决方案，确保面板具有良好的均匀性和精度，避免了电镀液之间的交叉污染，提升芯片质量和电镀效率的同时降低了成本。

在先进封装领域，混合键合设备的主要作用是将芯片或晶圆以极细的间距直接连接在一起，实现高性能、低功耗的芯片集成。根据晶圆的目标种类可分为芯片对晶圆（C2W）还是晶圆对晶圆（W2W）两种技术路线。青禾晶元最近也发布了全球首台独立研发C2W&W2W双模混合键合设备：SAB 82CWW系列，可应用于存储器、Micro-LED显示、CMOS图像传感器、光电集成等多个领域。

华封科技去年也发布了A系列新机——AvantGo A2（仙女座），这是一台拥有1.5um超高精度的晶圆级贴片设备，同时具备业界领先的超快产出速度（UPH高达3.5K）。

有业内人士表示，先进封装目前已经是整个半导体领域创新最多、投资最集中的细分领域。无论是晶圆代工厂、EDA公司、IC设计公司还是封装厂和设备厂，都在积极地投资和拥抱先进封装。这些创新对封装设备商提出了越来越多的灵活性需求，而封装设备公司就是通过技术创新来满足这些需求，从而推动整个半导体领域继续向前发展。

随着中国CoWoS产能的爆发，国产设备有望占据一席之地。