先进封装、CowWoS、HBM,一文了解它们的关系

由于目前几乎所有的HBM系统都封装在CoWos上,所有先进的人工智能加速器都使用HBM,因此几乎所有领先的数据中心GPU都是台积电封装在CoWos上的。

7月18日,A股封测/封装公司盘中大幅冲高。

资料显示,以台积电CoWoS为代表的先进封装技术是目前HBM与CPU/GPU处理器集成的主流方案。此前业内消息称,由于CoWoS需求高涨,台积电向设备厂商启动第二波追单,同时要求供应商全力缩短交期支援,预期今年第四季至明年首季将进入大量出机高峰。

对此天风证券表示,随着AI需求全面提升,带动先进封装需求提升,台积电启动CoWoS大扩产计划,部分CoWoS订单外溢,本土封测大厂有望从中获益。

什么是先进封装?

半导体封装是半导体制造工艺的后道工序,是指将通过测试的晶圆加工得到独立芯片的过程,即将制作好的半导体器件放入具有支持、保护的塑料、陶瓷或金属外壳中,并与外界驱动电路及其他电子元器件相连的过程。

迄今为止,全球集成电路封装技术一共经历了五个发展阶段。通常认为,前三个阶段属于传统封装,第四、五阶段属于先进封装。当前的主流技术处于以CSP、BGA为主的第三阶段,且正在从传统封装(SOT、QFN、BGA等)向先进封装(FC、FIWLP、FOWLP、TSV、SIP等)转型。

与传统封装相比,先进封装采用非焊接形式封装,应用场景主要适用于存储器、CPU和GPU等,在先进封装工艺中,除了需要用到传统的封测设备,还需要使用晶圆制造前道工艺的部分设备。并存在技术难度大、研发成本高、应用场景较少等缺陷。

先进封装:后摩尔时代的新引擎

自2015年以来,集成电路先进制程的发展开始放缓,7nm、5nm、3nm制程的量产进度均落后于预期。随着台积电宣布2nm制程工艺实现突破,集成电路制程工艺已接近物理尺寸极限;与此同时芯片设计成本快速提升,以先进工艺节点处于主流应用时期设计成本为例,工艺节点为28nm时,单颗芯片设计成本约为0.41亿美元,而工艺节点为7nm时设计成本提升至2.22亿美元。

据民生证券介绍,为有效降低成本、进一步提升芯片性能、丰富芯片功能,各家龙头厂商争相探索先进封装技术。先进封装技术作为提高连接密度、提高系统集成度与小型化的重要方法,在单芯片向更高端制程推进难度大增时,担负起延续摩尔定律的重任。

华金证券也指出,随着后摩尔时代的到来,封测环节被推向舞台的正中央。特别是先进封装的出现,让业界看到了通过封装技术推动芯片高密度集成、性能提升、体积微型化和成本下降的巨大潜力,先进封装技术正成为集成电路产业发展的新引擎。

HBM引爆,CoWos成台积电又一大杀器

较于传统消费级芯片,算力芯片面积更大,存储容量更大,对互连速度要求更高,而Chiplet技术可以很好的满足这些大规模芯片的性能和成本需求,因而得到广泛运用。

台积电作为Chiplet工艺龙头,也是当前业内主流算力芯片厂商的主要供应商,旗下3D Fabric平台拥有CoWoS、InFO、SoIC三种封装工艺,Intel、三星也拥有类似方案。

这里重点讲下市场关注的CoWoS。

CoWoS是台积电的一种“2.5D”封装技术,属于先进封装分类的一种,采用的是无源转接板,且已成为先进封装技术的主流。

该技术用多个有源硅芯片集成在无源硅中介层上。中介层充当顶部有源芯片的通信层。然后将内插器和有源硅连接到包含要放置在系统PCB上的I/O的封装基板。

此次该技术爆发得益于HBM需求。由于目前几乎所有的HBM系统都封装在CoWos上,所有先进的人工智能加速器都使用HBM,因此几乎所有领先的数据中心GPU都是台积电封装在CoWos上的。

据行业媒体半导体风向标分析,CoWoS和HBM已经是大多数面向人工智能的技术,因此所有闲置空间已在第一季度被吸收。随着GPU需求的爆炸式增长,供应链中的这些部分无法跟上并成为GPU供应的瓶颈。

另据TrendForce集邦咨询统计,NVIDIA在A100及H100等相关AI Server需求的带动下,对CoWoS产能的需求将大幅提升,加之AMD、Google等高端AI芯片的需求增长,CoWoS产能2023下半年或将供不应求。

上文提到,由于CoWoS需求高涨,台积电于6月底向设备厂商启动第二波追单,同时要求供应商全力缩短交期支援,预期今年第四季至明年首季将进入大量出机高峰。

对于HBM,除了英伟达外,Google将于2023年下半年积极扩大与Broadcom合作开发AISC,其AI加速芯片TPU亦采搭载HBM存储器,以扩建AI基础设施。

先进封装国内增速将高于海外

根据Yole数据,2021年全球封装市场总营收为844亿美元,其中先进封装占比44%,市场规模达374亿美元。Yole预计2027年全球封装市场规模为1221亿美元,其中先进封装市场规模为650亿美元,占比将提升至53%。2021-2027年间先进封装市场规模的年化复合增速预计为9.6%,将成为全球封测市场增长的主要驱动力

国内方面,根据Frost&Sullivan统计,中国大陆2020年先进封装市场规模为351.3亿元,预计2025年将增长至1136.6亿元,2020-2025年间年化复合增速达26.47%,高于Yole对全球先进封装市场年化复合增速9.6%的预测值。

产业链方面,民生证券Chiplet及CoWoS竟带来果茶年供应链三方面机遇,包括

1)封测端:国产封测厂商有望参与算力芯片Chiplet封装供应链;

2)设备端:带来晶圆级封装和后道封测设备需求增长;

3)材料端:带来高速封装基板等高端封装材料的用量增长。

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