半导体封装设备分类及工艺原理
半导体与集成电路后道设备分类及工艺流程
半导体封装设备包括减薄机、划片机、贴片机、固化设备、引线焊接/键合设备、塑封及切筋设备、清洗与搬运设备等。半导体测试设备则包括分选机、测试机和探针台。
集成电路后道设备主要包括贴片机、划片机、检测设备和焊线机，合计市场份额占比达到81%。
减薄机
减薄机作用：背面研磨前段制程产出的晶圆，从而减薄晶圆，达到封装所需要的厚度。
减薄机全球市场特点：市场集中度较高，且长期被国外厂商垄断。日本DISCO与TOKYO SEIMITSU的合计市占比已超过65%。
晶圆减薄工艺分类：根据不同的工艺方法主要分为应力释放法、磨削法和TAIKO。
应力释放法：通过化学和机械工艺去除由研磨造成的研磨面内部损伤和晶圆翘曲。
磨削法：通过金刚砂轮和吸附圆片的多孔陶瓷吸盘，以相反的方向旋转，将硅片磨削变薄，并用纯水带走磨削下来的硅渣。
TAIKO：与背面研削不同，该工艺本质上是一种新型磨削法，它保留晶圆外缘部分，只对圆内进行研削薄型化。
划片机
划片机：也称切割机，是一种使用刀片或激光等方式切割晶片的高精度设备。其切割的质量与效率直接影响芯片的封装质量与生产成本。
划片机分类：主要包括刀片切割机和激光切割机。
刀片切割机是使用最广泛的切割设备，市场占比约80%。该设备主要用于切割较厚的晶圆（>100微米），且生产成本低、使用寿命长。
激光切割机属于非接触式加工设备，市场占比约20%。该设备主要用于切割较薄的晶圆（<100微米），且高精度、高效率，是Chiplet技术切割芯粒最重要的设备。
贴片机
贴片机：也称固晶机（Die bonder），是芯片封装中最关键的设备。贴片机将芯片从已经切割好的晶圆上抓取下来，并安置在基板上，利用银胶把芯片和基板粘接起来，并实现定位、对准、倒装、连续贴装等关键步骤。
贴片机市场特点：目前全球市场规模超20亿美元，BESI公司（总部位于荷兰）和ASMPT公司（总部位于新加坡）分别占据50%和30%的市场份额。
贴片机分类：主要分为SMT贴片机和先进封装贴片机。
SMT 贴片机是表面贴装工艺生产线的关键设备，用于将封装好的芯片、电子元器件（如电阻、电容等）安装到 PCB 板上。
先进封装贴片机用于裸芯片或微电子组件的贴装，其将芯片安装到引线框架、基板或直接安装到 PCB 板上。此外，不同的连
焊线机
焊线机：该设备使用键合线连接芯片的接触电极与引线框架，从而实现芯片与外界的信号传送。
焊线机分类：主流的键合方式有超声键合、热压键合和热超声键合。而按键合工艺区分，焊线机则可分为楔形焊接机和球形焊接机。
楔形键合以超声或热超声键合方式，用楔形劈刀将芯片焊点与金、铜或铝线焊接，键合速度为4线每秒。
球形键合以超压或热超声键合方式，用毛细管状劈刀将芯片焊点与金或铜线焊接，键合速度可达10线每秒。
塑封机
塑封机：该设备使用流动性树脂从浇口注入半导体芯片周围，并使其固化从而起到保护芯片的作用。
塑封机市场特点：目前塑封机市场被TOWA、ASM Pacific、APIC YAMADA等国外厂商垄断。
塑封工艺分类：主要分为注塑成型和压缩成型。
注塑成型是传统半导体电子器件的封装方式，也是将料筒内熔融状树脂填充至型腔使其硬化的树脂封装方法。目前成熟的成形方法是采用多缸方式向型腔注入树脂。该方法不仅大幅提高了树脂利用率，而且使成形质量有了质的提升，同时也缩短了成形周期。此成形方法现已成为行业标准，并被广泛使用。
圧缩成型是将液态树脂或颗粒状树脂放入型腔，并在树脂熔融状态下将产品浸入树脂进行成型封装的方法。该方法无需注塑成型所需的浇口和流道，树脂的利用率几乎可达到100%，大幅降低了客户材料成本，同时也减少了废料排放，是一项环保的成型技术。
半导体测试设备分类及工艺原理
分选机
分选机：该设备负责把半导体器件传送到指定测试位置，在测试结束后会自动地根据测试结果分类放置测试的器件。
分选机市场特点：目前全球主要企业包括科休、爱德万（Advantest）、长川科技、台湾鸿劲科技和Techwing等。2022年前这5家企业市场份额占比超过56.54%。
分选机分类：根据传输方式的不同可分为：重力式分选机、转塔式分选机、平移式分选机。当前市面上平移式分选机的应用份额最大，转塔式其次，重力式最小。
测试机
测试机：也称半导体测试设备或自动测试设备（ATE），是一种检测芯片功能和性能的电子测量仪器。目前，全球测试机市场由爱德万、泰瑞达、科休公司引领，CR3超90%。
测试机分类：根据测试类型不同可分为数字测试机、模拟测试机、SoC测试机、RF测试机、存储器测试机等。目前，SoC测试机在半导体器件的大批量制造中占据ATE主导地位。
模拟测试机：又可分为数字测试机（用于测试数字器件、逻辑器件）、混合信号测试机（用于测试DAC/ADC转换器、锁相环PLL电路和数字滤波器等混合信号器件）、线性测试机（用于测试电压调节器、运算放大器和模拟开关等线性器件）。
老化测试机：用作可靠性监视器或实现生产筛选，剔除潜在的早期失效器件。
SoC测试机：测试数字、存储器、低速/高速接口和RF模块的片上系统器件。
RF测试机：测试包含RF接收模块或发射模块的射频器件。
存储器测试机：用于测试易失型和非易失型存储器。
探针台
探针台：是晶圆输送与定位任务的承担者，也是检测半导体芯片电、光参数的关键设备。
探针台全球市场特点：2022年全球探针台市场规模达8.53亿美元。其中日本东京电子、东京精密两家企业垄断全球市场，市场占有率超过80%。
探针台分类：按操作方式可分为手动探针台、半自动探针台、自动探针台。
手动探针台用手动控制来进行失效分析，其特点是机械系统精度高、光学系统倍率高，且可配置lastercutter，ccd等附件。
半自动探针台是在人工完成第一个芯片的对准后，按程序实现芯片测试功能的设备。
自动探针台是将上下片机械手和自动对准系统直接连接于半自动探针台的设备，产能较高。
半导体封测之——主要原材料
原材料概览
半导体封装原材料的不同种类与性能评价指标
当封装所采用的原材料类型不同时，封装产品的特质往往也有一定差异。目前常见的封装材料包括陶瓷、塑料和各类金属，封装原材料的性能与半导体封装产品的质量息息相关。
通常来说，从四个方面评价电子封装材料的性能：一是工艺性能 ，如黏度、流动性、凝胶化时间、后固化时间及温度等；二是湿-热机械性能，如热膨胀系数（CTE）、弯曲模量与强度、热导率、潮气扩散系数等；三是电学性能，如介电常数、击穿强度、损耗因子等；四是化学性能，如易燃性、离子杂质数量等。其中，工艺性能从工艺的角度进行评价，而其他三个性能从性能与功能的角度进行评价。
封测原材料分类及其对应市场规模占比
本章节所讨论的封装行业上游原材料主要指的是封装过程中的耗材。封装材料包括切割材料、芯片粘连材料、键合引线、封装基板、引线框架、包封材料、连接材料。根据SEMI报告，2022年，封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板及芯片粘结材料的市场规模在世界封装材料市场规模的占比分别为40%、15%、15%、13%、11%及4%。而封装材料的门槛相对晶圆材料门槛较低，中国目前已实现进口替代。
封装工艺全流程中的原材料使用
用一句话概括半导体封装中各种原材料的用途：半导体封装是使用切割材料将成品晶圆切割成小块芯片，然后使用芯片粘连材料、键合引线将芯片固定在封装基板或引线框架之上，最终在芯片表面覆盖包封材料（模塑料）并用连接材料将其连接于底板的过程。
封装原材料市场规模
全球封装材料市场规模保持高速增长。根据SEMI的报告，2022年全球半导体封装材料市场规模达到280亿美元，较2021年同比增长17%。值得注意的是，全球封装材料市场规模已连续三年保持10%以上的同比增长率。
如图36所示，2022年全球大部分地区的半导体材料市场都实现了高速增长，除日本外，其他列示地区均实现了同比超5%的增幅。其中，中国台湾以201亿美元的销售额连续第13年成为全球最大的半导体材料消费市场。
而受益于下游及终端应用领域的快速增长，近年来我国封装材料市场需求井喷式扩张，行业整体呈现也稳步增长趋势。2022年我国半导体封装材料市场规模已达462.9亿元，其中引线框架市场规模为118.7亿元，封装基板市场规模105.3亿元，其他材料238.9亿元。
封装基板（IC载板）——芯片封装的基座
封装基板主要产品类别
封装基板，又称IC载板，是一类用于承载芯片的线路板，它属于PCB的其中一个分支。封装基板具有高密度、高精度、高性能、小型化及轻薄化的特点，可为芯片起到支撑、连接、散热和保护的关键作用。封装基板的产品工艺随着封装形式的发展而不断演进，历经从减成法到半加成法、从打线到倒装、从有机基板到复合基板等多次升级。
封装基板生产工艺要求与产业链
从生产工艺来看，封装基板的制程工艺复杂程度高于传统PCB产品。随着封装基板的线宽与线距持续演进至15/15um以下，原来普通多层PCB所采用的减成法工艺（线宽/线距对应30/30um范围）已不再适用，而半加成法工艺可实现10/10um线宽/线距的超细线路工艺制造，因此在制造工艺上更多采用半加成法等先进生产制造手段代替减成法。此外，随着IC封装基板精细线路向10/10μm的超细线路“超连接技术”发展，精细线路工艺制造技术难度成倍增加。
从封装基板产业链来看，封装基板产业链由上游原材料、中游IC封装和下游应用构成。原材料可分为结构材料（树脂、铜箔、绝缘材等）、化学品（干膜、油墨、金盐、光阻、蚀刻剂、显影剂）以及耗材（钻头）。其中，树脂、铜箔、铜球为占IC载板成本比重最大的原材料，占比分别为35%，8%，6%；封装载板下游则主要应用于移动终端、个人电脑、通讯设备、存储、工控医疗、航空航天、汽车电子等领域。
封装基板市场分析
全球封装基板行业产值有望迎来高速增长。受益于云计算、服务器、数据中心需求增长与ADAS渗透率不断提升，封装载板行业市场规模水涨船高。2022年全球封装基板产值为174亿美元，同比增长23%，预计将于2027年实现223亿美元的产值，未来5年封装基板的年复合增速为5.1%。
中国是全球最大的封装基板需求市场，中国的封装基板市场规模正在稳步上涨。数据显示，2022年中国封装基板行业市场规模约为106亿元，同比增长11.6%。且从供需方面来看，2022年我国封装基板行业需求量大幅增加，产量增长有限。据统计，2022年我国封装基板行业产量约为152.0万平方米，需求量约为307.8万平方米，分别同比增长12.6%、14.1%。当前国内封装基板对外进口依赖度还处于较高的程度，后续封装基板领域有望成为国产替代的优质赛道。
受制于产品加工难度与前期高投资门槛，封装基板行业形成集中且稳定的供给格局。从市占率看，封装基板产品前五大供应商集中度相对较高，前十大封装基板厂商集中度高达85%。其中，欣兴电子(17.7%) 、南亚电路 (10.3%) 、揖斐电 (9.7%)市占率位居全球前三。
引线框架——与外部导线连接的桥梁
引线框架结构与生产工艺
引线框架是指用于连接半导体集成块内部芯片的接触点和外部导线的薄板金属框架，在半导体封装材料市场中占比达15%。引线框架主要由两部分组成：芯片焊盘和引脚。在封装过程中，芯片焊盘为芯片提供机械支撑，而引脚则连接芯片到封装外的电学通路。引线框架借助于键合材料使芯片内部电路引出端（键合点）通过内引线与外引线的电气连接形成电气回路，它起到和外部导线连接的桥梁作用。引线框架的加工工艺包括冲压型和蚀刻型两大类：
引线框架分类与原料
引线框架在半导体行业应用广泛，可将其分为集成电路引线框架和分立器件引线框架。集成电路引线框架是指用于封装集成电路芯片的引线框架，主要有QFP（四边平面）、QFN（四边无引脚）、SOIC（小型轮廓）、SOP（小型轮廓）、TSOP（薄型小型轮廓）、TSSOP（薄型微型轮廓）、SSOP（微型轮廓）等类型 。分立器件引线框架是指用于封装分立器件芯片的引线框架，主要有TO（管状）、SOT（小型管状）、SOD（小型二极管）、SMA（表面安装）、SMB（表面安装）、SMC（表面安装）等类型 。
引线框架材料主要有铁镍合金和高铜合金两大类，其中高铜合金引线框架凭借优良的导电导热性能，在引线框架领域得以广泛应用，占比80%以上。铜合金引线框架属于铜板带，其按合金系列主要分为铜-铁-磷、铜-镍-硅、铜-铬-锆三大系列，按照性能可分为高导电、高强度、中强中导等系列。
高铜合金引线框架生产原材料主要包括不同规格型号的铜带、白银和部分氰化物等化学材料。其中，铜带是成本占比最高的原材料，成本占46%左右。日本、德国是引线线框架铜合金材料的主要出口国，日本神户制钢、德国维兰德等外企在该领域处于世界领先水平。国内也已有博威合金、中铝洛铜、宁波兴业等公司实现了C19400、C70250牌号的批量化生产，高端铜合金材料国产化难题正被逐个击破，带动引线框架产业链整体国产化推进。
引线框架市场分析
作为半导体封装测试的关键材料，引线框架市场规模有望持续提升。2020年全球引线框架市场规模为33.5亿美元，2021年增至38.3亿美元，而2022年全球消费电子和通讯设备等需求不及预期，引线框架市场规模小幅增长至40.5亿美元。未来随着汽车电动化、人工智能与数据中心等领域持续发展，半导体整体需求有望持续向好并带动引线框架市场规模不断提升。
全球前八大引线框架企业拥有62%左右的市场份额，全球引线框架市场的主要参与者有ASM、长华科技、三井高科技、顺德工业、新光电气、柏狮电子等外资企业，以及康强电子等内资企业。其中，日本三井高科技和新光为引线框架领域传统强者，分别为全球第一大和第三大引线框架厂商，占据12%和9%的市场份额。
国内引线框架增势强劲。近年受贸易摩擦加剧以及国产化进程加速等影响，我国集成电路市场实现逆势增长，并带动我国引线框架市场规模稳步上升。2022年我国引线框架市场规模约为114.8亿元，同比2021年增长9%。
高端引线框架的国产替代大有可为。目前高端的蚀刻引线框架主要依靠进口，境内蚀刻引线框架起步较晚，目前只有康强电子、新恒汇、天水华洋等少数企业涉足，且产能较小。目前高端引线框架市场基本被境外厂商垄断，未来国产替代空间十分广阔。
键合引线——引线框架型封装的生命线
键合丝产品及其工艺
键合丝是芯片和引线框架间的连接线。键合丝产品按照材质不同可分为键合金丝、键合铜丝、键合银丝和键合铝丝等。
由于黄金具有化学性能稳定、抗氧化，不与酸和碱发生反应等特性，因此黄金制成的键合金丝具有延展性好、导电性能佳、金丝球焊速度快及可靠性高等特点，是键合丝各品种中使用最早、用量最大的一类。但受到金价较高和键合铜丝生产技术不断发展的影响，近年来，键合金丝占比不断下降，铜丝占比不断提升。而银丝成本也低于金丝，且其键合过程不需要保护气体，所以银丝也成为了除铜丝以外替代金丝的另一种键合丝材料。
按键合工艺分类：
超声波键合采用超声波发生器，通过能量转换使金属界面相互摩擦并形成原子间的结合。该技术稳定性强，设备投入成本与生产维护成本低。而倒装芯片封装技术、TSV封装技术则多适用于新兴技术和先进封装，发展速度快，但成本较高。
由于成熟工艺芯片总体产量较大且变化基本稳定，出于对成本的管控，超声波键合依然是主流的键合方式，市占率约为65% 。
键合丝原料与市场分析
制造键合丝的原材料主要包括铜、铜合金、铝、铝合金、镍、钯等金属材料。上述原材料的价格和供应量受到国际市场的影响，往往波动较大。2023年全球平均铜价为67706元/吨，较2022年上涨0.6%；2023年全球平均金价为450人民币/克，较2022年上涨14.7%。
随着下游集成电路产业稳步扩张，我国键合丝需求量增长态势良好。根据智研咨询数据，2022年国内半导体键合丝需求量增长至360.1亿米，其中键合金丝、键合银丝、键合铜丝（含镀钯铜丝）、以及键合铝丝需求量分别为62.3亿米、152.4亿米、132.8亿米、12.6亿米。
键合丝属于半导体封装的核心材料，产品门类多且应用场景复杂，同时质量要求高，产品制造具有一定的技术壁垒和工艺难度。从市场集中度来看：外资厂商仍占据国内主要市场，而国内从事全系列键合丝生产制造的厂家不多，产品相对单一或低端，且产地分布也相对分散，区域性特征并不明显。烟台一诺电子是纯内资企业中产能排名第一且具有自主研发能力的民族企业，其市占率也仅为11%。
包封材料——塑封环节主要原材料
环氧塑封料（EMC）
包封材料能够避免芯片发生机械或化学损伤，并保证芯片功能稳定实现。因此，包封材料又被称为集成电路的“外壳”。
我国半导体封装中90%以上采用塑料封装，而在塑料封装中，有97%以上利用环氧塑封料（EMC）作为包封材料。因此，环氧塑封料已成为半导体行业发展的关键支撑产业。
环氧塑封料（Epoxy Molding Compound，简称 EMC）全称为环氧树脂模塑料，是用于半导体封装的一种热固性化学材料。环氧塑封料是由环氧树脂为基体树脂，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入硅微粉等填料，并添加多种助剂加工而成。EMC能够很好地保护半导体芯片不受外界环境（水汽、温度、污染等）的影响，并实现导热、绝缘、耐湿、耐压、支撑等复合功能。
环氧塑封料应用于半导体封装工艺中的塑封环节。在塑封过程中，封装厂商主要采用传递成型法，将环氧塑封料挤压入模腔并将其中的半导体芯片包埋，在模腔内二者交联固化成型后即成为具有一定结构外型的半导体器件。
随着近两年中国半导体行业自主研发的能力提高，半导体环氧塑封料行业迎来快速发展。根据智研咨询数据，2022年中国半导体用环氧塑封料行业市场规模约为84.94亿元。
我国环氧塑封料产业的供需情况呈现良好发展态势。根据智研咨询数据，2022年我国环氧塑封料产量约为17.16万吨，需求年约为11.13万吨。且我国现已成为世界环氧塑封料的最大生产基地，国内环氧塑封料年产能约占全球35%。
硅凝胶
功率半导体模块封装对封装材料的要求相对较高，而硅凝胶是功率半导体模块封装的首选材料。硅凝胶是以基础胶为主体，加入交联剂、偶联剂、催化剂、抑制剂、阻燃剂等制成的复合材料。硅凝胶对于PC、PP、ABS、PVC等塑料，及铜、铝、镍等金属材料有较强的粘接力，能够防止内部分层，从而确保固化后的硅凝胶具有优异的电绝缘性能和防水性能。因此，硅凝胶在高功率半导体器件或模块的灌封工艺中得到广泛应用。
功率半导体模块封装所用的硅凝胶通常采用双组分加成型有机硅凝胶，其一般呈无色透明状态，室温时黏度较低，适合用于液体灌封工艺。当硅凝胶的两组分接触后，它们在室温下开始发生缓慢固化反应，在高温时则快速发生反应，且固化反应中不会产生副产物。
在使用时分为A胶和B胶，两组分经过真空设备脱泡后，分别进入输送管道。它们在进入注胶头时开始混合，在通过混合料管时得到充分混合，然后在一定的压力下被注射进产品型腔内。
硅凝胶封装材料主要性能指标如下：
A胶和B胶在灌封或浇注时混合，混合后常温即开始缓慢固化，在中温或高温下可快速固化，提高生产效率。
低黏度，流动性优异，特别适合常温下的浇注或灌封工艺。优异的流动性能够缩短灌封时间，且能够防止出现灌封死角与内部气泡；此外，还可以采用真空固化工艺，在固化的同时消除气泡。
耐高温性能优异，并具有很宽的工作温度范围，一般为-50~250°C，有的甚至可达-60~320°C。
固化时不吸热、不放热，收缩率极小，成型尺寸稳定性好。
粘接性能好，与塑料外壳及框架、芯片等材料结合良好。
化学性能稳定，耐水、耐候性能好，长期使用不会发生性能的降级。
灌封后，防潮、防尘、耐腐蚀、抗振性能好，且对内部元器件不产生内应力。
