文 | 钛资本研究院

当前半导体行业正处于前所未有的变革期，尤其是在AI、5G和高性能计算等新技术的推动下。装备和封装，尤其是先进封装，已成为整个产业的核心支柱，也是新技术突破的关键领域。在国产替代的背景下，半导体作为全球产业链竞争的主战场，国内经过多年努力已取得显著进展。

最近，钛资本邀请到前海方舟旗下的智慧互联产业基金主管合伙人、研究部主管吴治国，就“半导体装备和先进封装行业”这一主题进行分享。他在通信和信息技术领域有超过二十年从业经验，涉及技术研发、业务发展、战略投资和风险投资等不同工作岗位，专注商业航天、半导体和信息技术赛道的投资。在加入前海方舟前，曾先后就职于专业通信技术研究机构和华为技术有限公司。曾带领团队在北美、欧洲和以色列等区域成功开展多个投资和并购，涵盖基础软件、AI、云计算、硬件、安全、材料等技术领域。主要投资项目包括锐视智芯、某头部半导体工艺和量检测设备公司、魔方卫星、微联星智、赛陆医疗、软通智慧、Elastifile、HexaTier和GridGain等。主持人是钛资本董事总经理朱玉韬，关注半导体、智能汽车、航空航天。以下为分享详情：

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随着先进制程接近物理极限，行业已从单纯追求制程微缩转向通过先进封装提升芯片性能。台积电的CoWoS、英特尔的2.5D和3D封装技术成为高端AI芯片和高带宽存储器的核心制造方案。预计到2026年，全球先进封装市场规模将达到近500亿美元，年复合增长率超过10%。

国内半导体装备的国产化进程正在加速，北方华创等龙头企业已跻身全球IC工艺设备前十名，电镀和刻蚀机等产品覆盖了先进封装全流程。作为全球最大的半导体消费市场，中国通过政策支持和产业链协同创新推动国产替代。2023年，国内先进封装产值占比已接近40%，长电科技和通富微电等企业在新技术上实现了量产突破。尽管如此，与国际巨头相比，国内仍需突破短板，构建更全面自主可控的产业链。

01 半导体行业整体展望

到2030年，全球半导体产业的最终销售额有望达到约1万亿美元。其中，手机、电脑和消费电子等领域仍将继续增长，但增长速度相对较慢。相比之下，与算力相关的服务器、数据中心、存储和汽车电子等领域将成为增长最快的板块，预计到2030年将保持9%的年增长率。

麦肯锡的报告指出，尽管半导体行业面临一些挑战，但其长期前景依然非常乐观。尤其是AI芯片正在变得无处不在，人工智能为整个产业带来了巨大的机会。预计到2030年，新一代AI技术将带来约60亿至130亿美元的市场价值。

在投资方面，美国、欧洲、中东、中国、韩国、日本和台湾地区都在积极投资半导体产业。美国通过《芯片法案》提供了大量投资和税收减免，尽管部分补贴未能兑现，但仍吸引了许多企业前往设厂。中国在2024年投入了约430亿美元用于半导体产能建设，尽管到2027年预计会有所下降，但仍然保持较高水平。韩国和台湾地区也投入了大量资金，分别达到300多亿美元和340亿美元。

半导体产业不仅受到市场需求的驱动，还受到政治和战略因素的影响。各国政府纷纷出台政策支持半导体产业发展，例如美国的《芯片法案》和中国的集成电路国家大基金。推动半导体行业发展的三大技术浪潮包括：物联网（IoT）、AI技术以及量子计算。尽管量子计算目前仍处于早期阶段，但许多投资机构已经开始布局。

AI相关的半导体芯片增长迅速，预计2023年至2028年的年复合增长率接近30%。整个半导体生态系统庞大，从上游的设备、材料和代工，到下游的设计、硬件、软件和服务，都依赖于先进的芯片技术。尽管2023年市场整体下行，但半导体生态系统仍创造了超过8000亿美元的税前利润。

在中国半导体产业的发展空间巨大。根据标普等询公司的数据，中国企业在半导体设计领域的占比相对较小，但在封装测试领域表现较好。在半导体材料和设备方面，中国企业仍处于起步阶段。长江存储在2024年公布的数据显示，其设备的国产化率已达到65%，材料的国产化率达到了85%。这表明，尽管中国半导体产业在全球市场中仍面临诸多挑战，但在某些领域已经取得了显著进展，尤其是在设备和材料的国产化方面。

从全球半导体产业趋势来看，到2025至2027年，全球12英寸晶圆厂的设备支出预计将达到4000亿美元，主要受到AI技术的推动，整体趋势向好。中国大陆的12英寸晶圆厂数量预计将从2024年的近30座增加到2027年的71座，中国台湾和日本也在增长，全球整体增长显著。中国大陆在全球晶圆厂中的占比将达到29.7%至30%。

再看中国半导体产业现状。中国是全球最大的手机制造国和消费市场，拥有众多具有全球竞争力的手机企业，如OPPO、VIVO、小米、华为和荣耀。华为在被美国制裁后，5G手机芯片生产中断，手机销量大幅下滑，只能销售4G手机。尽管如此，华为的突破证明了中国在7纳米制程的国产能力。华为Mate 60实现了约90%的国产化，它的发布标志着中国大陆在芯片制造、软件、材料和封装测试等产业链的逐渐突破封锁。

华为在制裁下艰难突围证明了中国有能力实现高端芯片的国产化。尽管美国的封锁并未完全被打破，华为的突破仍代表着中国半导体装备和材料产业链在短时间内取得了显著进步。但中国在先进光刻机等关键半导体设备领域仍面临挑战。

美国对中国半导体产业进行了深入研究，认为华为已被中国政府转变为强大的芯片战争武器。华为在被制裁后不到五年内，已成为中国半导体争夺战中的重要力量。这场科技战争将在未来几十年影响世界经济。

华为能够在半导体领域实现突破的关键在于其强大的产业链和强烈的求生欲望。华为业务涉及ICT、云服务、政企业务、终端设备和汽车等多个领域，规模庞大且具备自给自足的潜力，正是这种优势使得华为能够在美制裁下取得突破。

中国在EUV光刻机的突破仍需时间。个人预测中国可能在未来5-10年内实现EUV光刻机的国产化，这对中国半导体产业至关重要，否则，中国将在高端芯片制造领域进一步落后于台积电和三星等国际巨头。

02

半导体制造具有高度复杂性，包括氧化、涂胶、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、抛光、检测和清洗等一系列工艺。集成电路制造需要重复数十次甚至上百次的工艺环节，但关键的集成电路高端设备仍被国外垄断，中国在光刻机、薄膜沉积、刻蚀和检测设备等领域的国产化率仍较低。尽管如此，中国企业如北方华创等正在逐步突破这些技术瓶颈。

薄膜沉积是半导体制造的核心工艺之一，其主要作用是通过原子或分子级别的沉积在半导体晶片表面形成导电或绝缘层，从而控制芯片的电学特性。薄膜沉积设备是半导体制造的三大核心设备之一，其市场规模随着制程技术的进步而不断增长。随着集成电路单位面积规模的扩大和芯片内部立体结构的复杂化，所需的薄膜层数不断增加，对薄膜沉积设备的需求也相应增加。例如，从9纳米工艺到3纳米工艺，薄膜沉积工序从40道增加到100道，涉及的材料种类也从6种增加到20种。

进一步来看，薄膜沉积设备的几大类别，包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）。CVD通过化学方法在晶片表面沉积涂层，目前市场上的领先企业是应用材料（Applied Materials）。国内也有一些公司在开发CVD设备。PVD通过物理方法将沉积材料气化后沉积到晶片表面。ALD是一种变相的CVD，其沉积层均匀但沉积速率较慢，国外的ASM是该领域的龙头企业，国内的拓荆科技也在该领域取得了进展。

薄膜沉积设备广泛应用于逻辑和存储电路的制造，尤其是在存储芯片中，薄膜沉积工艺的使用越来越广泛。中国的半导体薄膜沉积设备市场规模在全球市场中占比约30%。根据预测，2023年全球PVD、CVD和ALD设备的市场规模分别为152.8亿美元、72亿美元和24亿美元。国内在薄膜沉积设备领域保持稳定增长，2023年预计PVD设备市场规模为152.8亿美元，CVD设备为72亿美元。

刻蚀设备是半导体制造的另一大核心设备。刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，其中干法刻蚀占主导地位。干法刻蚀包括电容耦合等离子体（CCP）和电感耦合等离子体（ICP）两种技术。刻蚀设备主要用于将光刻机形成的图案转移到下层材料，实现图案化。刻蚀设备在全球半导体设备市场中占比约22%，仅次于薄膜沉积设备。2024年全球刻蚀设备市场规模预计为300多亿美元，增长速度较快。

国内在刻蚀设备领域也有一定的发展，ICP和CCP刻蚀设备平分秋色。先进制程和先进存储对刻蚀设备的需求不断增加，尤其是随着制程从65纳米到5纳米的推进，刻蚀次数显著增加。例如，65纳米工艺需要约24次刻蚀，10纳米工艺需要近100次，而5纳米工艺则需要160次。这种工艺的复杂化对刻蚀设备的精度和重复性提出了更高的要求。

尽管中国在薄膜沉积和刻蚀设备领域取得了一定进展，但与国际领先水平相比仍有差距。国内企业在设备的精度、稳定性和可靠性方面仍需提升。

中国半导体产业也在不断取得突破。国内其他企业如北方华创、中微公司等也在不断努力，逐步打破国外技术垄断。中国政府也在通过政策支持和资金投入，推动半导体产业的发展。尽管中国在半导体设备领域仍面临诸多挑战，但随着国内企业的技术进步和产业链的不断完善，未来有望在高端设备领域实现更大的突破。

5、量检测设备

随着科技的不断进步，尤其是从2D到3D技术的转变，半导体制造对刻蚀工艺的要求大幅增加。例如，3D芯片制造涉及数百层的堆叠，这不仅提高了对刻蚀技术的要求，也增加了检测和量测的复杂性。检测设备分为两大类：检测设备和量测设备。检测设备主要用于识别结构中的缺陷，如颗粒污染和结构性问题；而量测设备则用于量化描述被观测对象的尺寸、材料特性等，例如薄膜厚度、特征尺寸和表面形貌等。

检测设备市场中量测设备占比约31%，而中国国内的检测设备市场规模在2023年预计为300亿人民币，并且预计到2025年将超过这一数字。检测设备是半导体制造中一个关键环节，但国产化率仍然较低。不过，国内企业如中科飞测、上海精测等正在快速突破，积极开发相关产品。

先进制程和先进封装厂的扩张推动了半导体检测设备的高速增长。在今年的SEMICON China，一些企业展示了多种检测设备，包括X射线系列检测设备、原子力显微镜、光刻套刻精度测量设备、明\暗场检测和多电子束检测设备等。部分量检测设备能够满足先进制程的国产化需求。

半导体装备是集成电路芯片创新的基石，新的技术不断涌现且每一代技术都依赖于相应的工艺和设备，工艺技术的进步对设备提出了无止境的要求。先进封装在整个半导体产业链中占据了越来越重要的地位。随着制程技术的发展，从3纳米到1纳米甚至更小的尺寸，传统光刻技术的局限性逐渐显现。量子效应的显著增强使得进一步缩小制程变得极其困难。因此，先进封装技术成为延续摩尔定律、推动半导体产业发展的关键手段。

03 先进封装行业分析

半导体封装可以根据封装级别分为三个主要层次：芯片级封装、板级封装和系统级封装。芯片级封装主要关注芯片的保护、电气连接和散热。随着技术的发展，先进封装技术逐渐成为后摩尔时代集成电路的重要发展趋势，尤其是在芯片小型化和高密度化方面。

先进封装技术的优势在于能够将不同功能、不同制程的芯片进行系统级整合。这不仅提高了芯片的集成度，还缩短了研发周期、降低了总体成本。例如，通过2D、2.5D和3D封装技术，可以将逻辑芯片和存储芯片集成在一起，从而提高芯片互联密度，降低功耗。

回顾半导体封装的五个发展阶段：70年代之前的通孔封装（如TO封装）、80年代的表面贴装封装（如SOP、QFP）、90年代的球栅阵列封装（BGA）、2000年之后的多芯片组装（如SIP、FC、Bumping、TSV）以及2010年之后的立体结构封装（如2.5D、3D封装）。随着人工智能和大数据时代的到来，芯片尺寸越来越大，封装技术也在向更高I/O的密度方向发展。

关键技术包括TSV（硅通孔）、TGV（玻璃通孔）、玻璃基板等。TSV技术最早由日本公司在上世纪70、80年代发明，但在台积电和英特尔的推动下逐渐成熟。玻璃基板技术则成为未来封装的一个重要方向，因为它可以实现更高的面积利用率和更低的制造成本。

先进封装市场正在快速增长，尤其是在人工智能和高性能计算领域。例如，英伟达的H100芯片中，封装成本占总成本的27%，而如果扣除HBM内存，封装成本占比高达82%。这表明封装环节在高端芯片制造中的重要性不断提升。

面板级封装（PLP）成为未来的一个重要趋势。与传统的晶圆级封装相比，面板级封装可以在更大的尺寸上实现更高的面积利用率，从而降低成本。例如，515mm×510mm的面板级封装被认为是未来主流，其面积利用率可达95%，远高于传统晶圆级封装的80%。

台积电、英特尔等企业在先进封装领域投入巨大。英特尔在2023年宣布在玻璃基板封装技术方面取得重大突破，并预计2026年投入量产，此外三星等企业也在积极布局面板级封装技术。

尽管先进封装技术带来了诸多优势，但也面临一些挑战，如设备供应、工艺成熟度和供应链稳定性等问题。然而，随着技术的不断进步和市场需求的增加，先进封装技术有望在未来几年内实现更大的突破。

随着数据中心尤其是AI数据中心（AI DC）的兴起，互联方案的重要性日益凸显。目前，通过共封装光学（Co-Packaged Optics, CPO）技术，下一代光模块的传输带宽有望达到4.8T。AI数据中心中的光模块技术也在不断进步，从400G到800G，甚至1.6T的光模块正在被研发。未来一两年内，数据中心的带宽需求将从1.6T向3.2T甚至更高发展。CPO在高端数据中心的应用趋势表明，未来CPO可能会取代传统光模块的主流地位。CPO市场的规模预计将从2025年的9500万美元增长到2035年的12亿美元。

随着算力芯片的功率快速增长，热管理成为了一个关键问题。芯片的散热效率至关重要，而金刚石等化合物半导体被认为是散热效率最高的材料，国际头部企业大算力芯片通过近芯片冷却实现kW级散热。封装市场规模的增长得益于消费电子、人工智能、5G等市场需求的推动。预计在高带宽需求下，先进封装市场将从2023年的378亿美元增长到2029年的700亿美元，年复合增长率达到11%。到2026年，先进封装的市场占比有望突破整个市场的50%。

国内封装产业在先进封装领域的发展迅速。例如，通富微电、长电科技等企业在先进封装领域取得了显著进展，盛合晶微等企业在先进封装领域表现出色。国内封装企业积极扩产，包括中芯国际、华天科技等企业都在布局先进封装项目，厦门云天半导体等企业也在探索先进封装技术的应用。

先进封装技术的发展趋势包括高速、高频、三维、超细间距互连等方向。先进封装技术将从中道封装向前道封装延伸，后摩尔时代，半导体产业发展会把先进封装推向极致，今后一段时间是先进新质封测产业发展的黄金时期。

国内封装产业面临三大挑战：

a、传统封装和大部分先进封装产能过剩：市场竞争激烈，导致企业利润空间受到挤压。

b、整体技术落后于美国：先进封装技术需要进一步发展，新质新兴封装技术的产能不足。

c、技术研发投资巨大：先进封装技术从中端向前端发展需要巨大的研发投入，需要产业链上下游的协同创新。

国际产业竞争加剧，通过封装技术实现系统性能超越成为必由之路。中国需要探索适合自身发展的解决方案，以应对国际竞争压力。

问答

Q1：先进封装技术的发展趋势、技术挑战以及国内封装企业的机遇有哪些？

A：目前国内在2.5D先进封装领域做得最好的是盛合晶微。由于美国制裁，国内企业无法再依赖台积电等国际大厂，因此国内封装企业迎来了更多机会。盛合晶微目前主要为国内的AI和算力芯片提供封装服务。未来封装技术的发展趋势是向面板级封装（Panel Level Packaging, PLP）和玻璃基板技术方向发展，这一趋势不会改变。

TSV技术是先进封装的基础，目前正朝着超高密度和高深宽比的方向发展。3D IC和HBM技术将进一步推动TSV技术的进步。然而，玻璃基板技术虽然具有成本低、效率高的优势，但仍面临一些技术挑战：

1、尺寸和可靠性问题：玻璃基板在大尺寸管控和可靠性方面仍需进一步改进。

2、TGV（玻璃通孔）需要解决：高深宽比，TGV黏粘层及种子层制备、电镀填充等问题。

3、玻璃的隐裂：玻璃在打孔（例如激光诱导）、金属电镀后、热处理后和减薄后容易产生微裂纹，这些裂纹可能导致芯片缺陷。检测和控制这些微裂纹是技术难点之一。

4、TGV孔内镀铜膜的厚度会影响可靠性，应力随着铜环厚度的增加而增大，退火速率也会影响铜膜的性能。

尽管国内封装企业在传统封装领域处于第一梯队，但在先进封装领域仍有提升空间。国内企业如大族半导体等正在积极探索先进封装技术，利用激光诱导蚀刻快速成型技术制造玻璃通孔。国内企业在先进封装领域仍有机会，但最终的市场格局尚未确定。市场足够大，谁能提供满足客户需求的优质方案，谁就能在市场中占据一席之地。

英特尔、三星和台积电等国际大厂都在积极投入资源研发面板级封装和玻璃基板技术。虽然这些技术的成熟和应用需要时间，但趋势已经明确。国内企业需要抓住机遇，通过技术创新和产业链协同，提升在先进封装领域的竞争力。

1、国产替代：随着美国技术封锁的加剧，中国企业将不得不依靠自身力量实现技术突破。这为国内企业提供了巨大的市场空间。

2、零部件国产化：美国可能会进一步限制关键零部件的出口，这将促使中国企业加大对零部件的研发和生产投入。

3、市场需求增长：随着AI和高性能计算的快速发展，对半导体芯片的需求将持续增长，尤其是在数据中心和汽车电子领域。

尽管市场前景广阔，但企业仍需面对激烈的竞争和技术挑战。例如，碳化硅（SiC）领域虽然产能过剩，但高端产能仍然不足。中国企业需要在技术上不断进步，以满足市场需求。