在PCB领域,有一颗“皇冠上的明珠”,可以实现芯片与PCB板之间的通信,即IC载板。以下将带您了解IC载板行业。
01
什么是IC载板?
IC负载板,又称IC包装基板,主要起着两个作用:一是为芯片提供支撑保护,提高芯片的散热能力;二是帮助上芯片与下PCB板电气和物理连接,实现功率分配、信号分配、芯片内外电路通信等功能。
图表1:典型的IC载板结构
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IC载板不是从一开始就应用于芯片,而是随着半导体包装技术的逐步发展而出现的产品。回顾历史,我们可以看到,世界主流包装技术的演变分为四个阶段:
第一阶段(80年代前):此时,包装模式主要是针脚插入式,PCB板通过外部针脚连接,密度和频率难以满足自动化生产的要求;
第二阶段(1980-1990年):进入表面安装时代,引线框架取代了脚插头的引脚,芯片直接安装在PCB板上;其主要优点是引线短、细、间距小,包装密度提高,可用于自动化生产;但其包装密度,I/O数等不能满足大规模处理器的发展;
第三阶段(1990-2000年):焊球阵列封装是进入面积阵列封装时代的主要形式(BGA)、芯片尺寸包装(CSP)等等;BGA技术取代了焊球,芯片与PCB板之间的连接距离和密度大大增加,导致了包装技术的革命;
第四阶段(2000年以后):2.5进入堆叠包装时代D、3D包装进一步提高了芯片在单位面积内的性能,从原包装元件的概念转变为包装系统。
IC载板可视为封装行业进入第二阶段后出现的产品,进入第三阶段后发展迅速。
图表2:全球主流封装技术的演变![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/otdusr0wbhc.png)
02
IC载板的主要技术指标
如上所述,IC载板的主要核心功能是实现芯片与PCB板之间的通信。由于芯片性能的提高和信号传输的复杂性,密封载板上的布线越复杂;实现更复杂布线的方法有三种:
(1)更大的面积(可以有更多的位置布线);
(2)线宽/线距较窄(线路可以走得更密,线宽/线距也决定了焊点的密度);
(3)层数较高(有更多层可以走线)。
图表3:典型的载板结构(10层,25*35mm ABF载板)![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/vg31oxesgbp.png)
以苹果M1 以Ultra芯片为例:
下图是FCBGA载板的典型结构——苹果M1芯片上方A部分,两个M1通过封装组合成M1 Ultra,两个芯片通过硅桥连接;下部为封装基板(上下对称,不完全显示),层数结构为8(上层)+2(核心层)+8(下层)=16层,整个基板尺寸为65*72mm。
图表4:苹果M1 Ultra芯片封装载板示意图![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/pkzcnxuvurm.png)
在实际的封装载板选择中,芯片制造商需要平衡面积、线宽/线距和层数,因为任何超过临界值的人都面临着良率的指数级下降。但面积一般是被动提升(因为载板面积大于上面承载晶圆的总面积,但不能超过太多),线宽/线距和层数主要是主动提升(考虑到通信需求较大)。
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IC载板的分类
IC载板的分类方法有很多,可以从三个角度简化:图表5:IC载板主要分类示意图
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图片来源:Toppan官网
(1)芯片与IC载板的连接方式可分为WB(wire bond,引线键合)和FC(Flip-chip,倒装)两种:WB通过金属导线将芯片焊盘与封装载板焊盘连接,实现通信;FC首先在芯片焊盘上形成焊球,然后将芯片翻转到相应的基板上,实现连接通信。
图表6:WB VS FC
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图片来源:深南电路招股说明书
(2)从IC载板与PCB板的连接方式来看,实际上采用BGA模式,即通过BGA焊球在载板底部与PCB板连接;BGA和CSP仅根据载板的厚度而有所不同。厚度大于32mm的称为BGA、CSP的厚度小于32mm。
(3)从IC载板的基材分类来看,主要包括硬基板、柔性基板和陶瓷基板;柔性基板主要用于柔性显示领域,陶瓷基板主要用于军事领域,因此绝大多数IC载板都是硬基板材料。
硬基板材料分为BT载板、ABF载板和MIS载板三类,其中BT和ABF是主流材料。
///BT材料具有耐热性好、耐湿性强、介电常数低、机械性能好等优点,是IC载板中应用最广泛的材料;但由于BT基板布线困难,钻孔困难,不能满足精细线路的要求,主要用于手机芯片、存储芯片、MEMS芯片、模拟芯片、RF芯片和LED芯片;
///与BT载板相比,ABF材料更容易加工,更适合超高精度电路和高引脚的高级包装形式,因此主要用于计算机和服务器的CPU、GPU、ASIC芯片领域。
BT载板和ABF载板的主要技术指标区别在于-尺寸。ABF载板主要为20*20mm以上,BT载板只能为小尺寸;在层数方面,ABF载板主要为8层以上,BT载板主要为8层以下;在线宽/线距方面,ABF载板主要为15um以下,BT载板只能为15um以上。
三个指标的比较直接决定了ABF载板对应于高端应用,BT载板对应于中低端应用;就制造难度而言,ABF载板也远高于BT载板。难度也体现在价格上。假设ABF和BT载板的价格相差约10倍,大小和层数相同。
图表7:IC载板基材分类与对比![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/gpgymoraqew.png)
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图片来源:OFweek电子工程网,礼鼎半导体
04
IC载板业务壁垒
与传统PCB相比,IC载板具有更高的进入壁垒;从2016年到2020年,全球IC载板和PCB行业竞争格局的变化可以清楚地看出,在大陆厂商的大力扩张下,PCB行业的格局发生了明显的变化;相比之下,IC载板主要厂商的排名和份额几乎没有变化。
图表8:VSIC载板 传统PCB-竞争格局的变化![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/3mkkuru03aq.png)
IC载板行业进入壁垒主要体现在以下几个方面:
1、技术壁垒+人才壁垒
如上所述,IC载板的线宽/线距比传统PCB精细得多,导致两者在生产工艺上存在较大差异,在生产设备、原材料、研发体系和人才要求上存在较大差异。只有技术能力最强的PCB制造商才能进入IC载板领域;进入这一领域后,还需要相当长的时间积累经验,才能将良率提高到令人满意的水平。
2、客户壁垒
由于IC载板具有连接芯片和PCB板的功能,其性能和稳定性直接关系到芯片的性能和下游电子产品的可靠性,因此IC载板只有通过严格的客户认证程序才能进入其供应系统。认证程序不仅包括IC载板制造商的技术,还包括综合考虑其品牌声誉、历史经验积累和生产能力。一般来说,BT载板认证程序需要2年,ABF载板甚至更长。进入供应链后,也要经历小批量→中批量→增加大量缓慢份额的过程。因此,该行业具有较高的先发优势。
3、资本壁垒
资本壁垒主要体现在两个方面:
(1)产能
上述下游客户认证IC载板供应商时,产能是重要考虑因素之一,导致IC载板制造商获得行业门票需要较高的初始投资规模;一般来说,1万平方米/月的BT载板产能投资为3-4亿,ABF载板产能投资1万平方米/月达到30亿;目前BT载板或月至少2万平方米 ABF载板1万平方米/月是下游的基本要求,意味着初始投资至少达到10亿元。此外,与PCB板1相比,:IC载板投入产出比为1.9:0.9~1:同时,较低的投入产出比也对资金提出了较高的要求。
(2)回报周期长
考虑到IC载板初始投资高+技术难度高(良率爬坡速度低)+客户认证周期长,一般新IC载板厂商进入回报期前需要亏损5年,资本长期壁垒高。
4、上游设备、原材料壁垒
目前,BT和ABF载板的生产设备/原材料主要来自日本,特别是ABF材料(97%)和一些核心设备被日本制造商垄断;目前,ABF载板生产设备的交货期超过1年,ABF膜的供应应应在扩大生产前确认其供应能力;行业地位薄弱的新制造商在设备和材料供应商上游排名第一,扩产能力和原材料供应能力令人担忧。
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IC载板市场的整体空间和主要玩家
据Prismark统计,2005-2023年,全球IC载板市场空间从约50亿美元增长到约160亿美元(峰值出现在2023年,为174亿美元),是PCB各子行业增长最快的行业。
图表9:历年全球IC载板产值(亿美元)
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图片来源:Prismark,2018年至2026年的区间
IC载板材的发展分为四个阶段:
第一阶段(2005-2010年)-驱动力主要是PC,对应FCBGA载板。
第二阶段(2010-2015年)-驱动力主要是对应FCCSP载板的智能手机;但由于全球经济下滑,传统PC需求下降,整体规模下降。
第三阶段(2015-2020年)-驱动力主要是全球经济复苏+云计算/5g产业的发展,这在一定程度上推动了FCBGA和射频模块载板的发展。
第四阶段(2020-2027年)-2020-2022年,短期PC行业爆发+先进包装行业发展主要受疫情影响,IC载板市场空间快速增长;2023年,受整体半导体行业需求低迷影响,全年规模下降;预计2024-2027年将恢复增长。主要驱动力是全球半导体行业周期复苏+AI对FCBGA载板的成交量和价格上涨。
根据Prismark的预测,到2027年,IC载板行业的空间将逐渐增加到222亿美元。
图表10:全球IC载板市场空间变化![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/iou04ukjbr0.png)
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根据2022年的数据,FCBGA占细分类别的53%、FCCSP占16%、WBBGA/WBCSP占19%、module占12%;预计到2026年,FCBGA载板的比例将进一步提高到57%,这是增长最快的子领域。
图表12:IC载板细分空间拆分![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/f2t5ijmldop.png)
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随着IC载板行业空间的增长,主要市场参与者也在逐渐变化:
第一阶段(1980-1990年):随着美国在半导体行业的形成,它开始逐步将行业集中在毛利率最高的fabless行业,并将晶圆制造业务转移到日本、韩国、台湾等具有产业基础和劳动力优势的地区。日本作为IC载板的先驱,与产业转移合作,迅速成为该领域的领导者,成长为Ibiden等世界领先的技术企业、Estern(日本东部,后来被韩国simmtech收购)、Shinko(日本新光电气);
第二阶段(1990年至今):20世纪90年代以后,日本陷入经济危机,晶圆制造业逐渐转移到韩国和台湾;其中,韩国逐渐成为全球存储行业的领导者,占全球存储容量的70%。围绕三星和海力士对存储载荷板的需求,SEMCO(三星机电)诞生了、Simmtech(韩国信泰)、Daeduck(韩国大德)等厂商;此外,随着台积电的兴起,台湾省占据了全球50%以上的晶圆OEM产能,围绕台积电、日月光等厂商的需求,Unimicron(台湾新兴电子)诞生于台湾省、Kinsus(台湾省景硕)、Nanya(台湾南亚)、ASE Material(日月光材料)等厂家。
上述制造商是世界十大IC载板制造商之一,总市场份额超过80%;其中台湾欣兴电子(15%)、日本鞠斐电(11%)和韩国三星机电(10%)是世界前三大制造商。
在技术能力方面,大致可以认为日本制造商>台湾制造商=韩国制造商。
图表13:IC载板行业主要玩家及其份额(左图)、核心产品布局(右图)主要玩家![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/5ipsfioylaq.png)
根据制造地划分,2019年中国台湾、韩国和日本分别占31%、总份额为79%,28%和20%;中国大陆占16%。然而,大陆的产能大多是由日本、韩国和台湾制造商投资和建设的。因此,如果按照制造商所有权标准划分,中国大陆的产能仅占4%,远低于按所有权划分占32%的整体PCB行业。
图表14:IC载板全球产能分布![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/dgj5gg35dn4.png)
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图片来源:2019年印刷电路信息
如下图所示,纯内资主要有深南、兴森、珠海越亚三家(丹邦科技薄弱,暂不提);此外,李鼎半导体(鹏鼎兄弟公司)在振鼎旗下的主要生产能力也在中国,未来计划在a股IPO,也可以算是半个国内厂商。此外,东山精密、崇达技术、景旺电子、中京电子、盛宏科技等国内公司也希望从BT载板领域逐步切入IC载板轨道。
然而,从未来五年的国内格局来看,BT载板仍由深南、兴森和越亚领先,其他制造商进入低端;只有兴森、深南和越亚有能力生产和运输ABF载板。
图表15:国内主要IC载板产能
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最后,我们来看看全球主要制造商在扩大生产方面的计划(取自各上市公司的公告)。
从下图可以清楚地看出,自2021年以来,海外已进入新一轮ABF载体生产期,核心是对高性能芯片和先进包装行业发展带来的FCBGA需求的改善持乐观态度;然而,海外制造商通常在当地或东南亚建立新的产能。
然而,我们也很高兴看到,以深南、兴森、越亚为代表的国内IC载板制造商在高端ABF载板领域的扩张范围不亚于海外;虽然技术能力和客户资源与海外仍存在较大差距,但我们相信,随着中国晶圆制造产业链的逐步发展,国内IC载板产业链也可以在未来五年迅速缩小与海外领导者的差距。本文来源-麒麟研究选择
图表16:全球主要厂商IC载板扩产规划![世界主流包装技术的演变分为四个阶段](http://www.caijingym.com/d/file/p/2024/05-24/feac3lshqb4.png)