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长文解读Chiplet,算力时代浪潮下的先进封装机会(附相关龙头股详解)
韭韭镰合会
航行五百年的机构
2023-07-18 17:19:09

Chiplet板块领涨两市,其中甬矽电子、凯格精机双双20CM涨停,中富电路、晶方科技涨停,深科达、金龙机电、通富微电等个股涨幅居前。

分析人士表示,Chiplet技术逐步成为提升芯片性能及算力的解决方案之一。由于AI中心训练/推理侧芯片及未来有望大规模结合硬件部署的边缘端芯片,有望拉动未来半导体进入下一轮景气周期。
先进封装引领摩尔定律延续

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。


先进封装发展历程

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。


传统封装以引线框架型封装为主,芯片与引线框架通过焊线连接,引线框架的接脚连接 PCB,主要包括 DIP、SOP、QFP、QFN 等封装形式。


传统封装的功能主要在于芯片保护、尺度放大、电气连接三项功能,先进封装技术则对芯片进行封装级重构,能有效提高系统高功能密度。现阶段先进封装主要是指倒装焊(Flip Chip)、晶圆级封装(WLP)、2.5D 封装(Interposer)和3D 封装(TSV)等。先进封装与传统封装的主要区别在于一级互联和二级互联方式的不同。

一级互联方式主要包括:传统工艺—Wire Bonding(WB);先进工艺—Flip Chip(FC)。

二级互联方式主要包括:传统工艺—通孔插装型/表面贴装;先进工艺—球栅阵列型(BGA)/平面网格阵列 LGA/插针网格阵列(PGA)。

因此 FCBGA、FCLGA 等封装就称为先进封装。同时,传统的元件封装也演变为系统封装,封装对象由单芯片向多芯片发展,由平面封装向立体封装发展。


先进封装助力摩尔定律延续

摩尔定律主要内容为:在价格不变时,集成电路上可以容纳的晶体管数量每18-24 个月便会增加一倍,即:处理器性能大约每两年翻一倍,同时价格下降为之前的一半。

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。


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。


Chiplet 优势明显,是国产芯片“破局”路径之一

高性能计算的应用场景不断拓宽,对算力芯片性能提出更高要求,进而拉动了先进封装及Chiplet工艺的需求。随着AI大模型数据处理需求的持续提升,对算力芯片性能提出更高要求。Chiplet是高性能算力芯片的封装解决方案之一,其在设计、生产环节均进行了效率优化,能有效降低成本并持续提高系统集成度。Chiplet需要采用先进封装工艺中的异构集成技术进行实现,因而Chiplet的高增长亦将带动异构集成的需求提升。根据Omdia预测,随着人工智能、高性能计算、5G等新兴应用领域需求渗透,2035年全球Chiplet市场规模有望达到570亿美元,2018-2035年复合年均增长率为30.16%,发展势头强劲。


与传统SoC相比,Chiplet在设计灵活度、良率等方面优势明显。相对单片集成技术SoC而言,Chiplet是由不同工艺节点的模块共同组成,在相同的系统性能目标下,部分模块对制程的要求有所降低,节省了部分开发时间;由于芯片面积越大越容易产生缺陷,而Chiplet每个模块的载体都是较小的硅片,有效降低了生产中产生的缺陷数量;同时每个小硅片拥有单独的IP,并且可以重复使用,根据特定客户的独特需求定制产品,节省开发时间。不同工艺生产制造的Chiplet可以通过SiP技术结合,典型的方案就是XPU+DRAM,通过异构集成把内存和算力单元直接整合到一起,提升系统性能、突破算力瓶颈。


针对先进制程,Chiplet更具成本优势。一方面小芯片形式的制造良率有所提升,另一方面是Chiplet允许使用不同的制程制造异构芯片,例如高性能模块采用7nm,其他模块只需要14nm或28nm就可以做到性能最大化,使系统整体的功能密度非常接近于7nm的集成。AMD采用“7nm+14nm”的Chiplet设计方案,较7nm的单芯片集成的成本下降了接近一半。AMD认为是否使用Chiplet设计思想的动机,在于性能、功耗与造价能否妥协。Chiplet对成本下降的效果会随着核数(芯片核心的数量)的降低而边际减小,因此未来可能会出现一个价格的均衡点来判断采用Chiplet技术是否更具有经济效益。


中美科技摩擦加剧背景下国内先进制程发展受限,Chiplet是国产芯片“破局”路径之一。近年来美国以《芯片与科学法案》、贸易管制“实体清单”及与日本、荷兰组成芯片联盟等手段限制我国芯片先进制程的发展,使我国高端芯片领域面临“卡脖子”问题。Chiplet降低了芯片设计的成本与门槛,且其IP复用的特性提高了设计的灵活性,是国产芯片“破局”路径之一。2023年2月,北极雄芯发布了国内首款基于异构Chiplet集成的智能处理芯片。该芯片采用12nm工艺生产,HUB Chiplet采用RISC-VCPU核心,可通过灵活搭载多个NPU Side Die提供8-20TOPS(INT8)稠密算力。该芯片可用于AI推理、隐私计算、工业智能等不同场景,有效解决了下游客户在算法适配、迭代周期、算力利用率、算力成本等各方面难以平衡的核心痛点。


民生证券《算力时代来临,Chiplet先进封装大放异彩》
万联证券《电子行业深度报告:大算力时代下先进封装大有可为》
中泰证券《先进封装设备行业深度:先进封装推动设备需求高增,国产设备迎发展良机》

把握大算力时代浪潮下先进封装产业的投资机会

1、先进封装是后摩尔时代下确定性的产业趋势:先进封装是半导体产业超越摩尔定律、提升系统性能的必然选择,为封测市场带来主要增量,且应用场景主要在高性能计算、高端服务器等领域,产品技术壁垒与价值量相对传统封装会更高,重点关注传统封装厂商技术升级带来的投资机会。

2、Chiplet有望成为高端算力芯片的主流封装方案,助力国产芯片“破局”:大算力时代下,高性能计算的应用场景不断拓宽,对算力芯片性能提出更高要求,进而拉动了先进封装及Chiplet工艺的需求;此外,Chiplet降低了芯片设计的成本与门槛,且其IP复用的特性提高了设计的灵活性,在国内发展先进制程外部条件受限的环境下,Chiplet有望成为国产芯片“破局”路径之一,重点关注Chiplet技术领先、具备量产能力的龙头厂商。

3、国内先进封装产业蓬勃发展将拉动国产设备需求:在先进封装工艺中,对传统封装设备的使用需求和精度要求都有所提升,同时由于工艺延伸至前道环节,为前道设备带来增量,提升了半导体设备的市场需求,也进一步推进了半导体设备的国产替代进程,重点关注布局封装环节设备的优质厂商。

综上,建议重点关注大算力时代浪潮下具备先进封装技术领先优势和客户资源优势的龙头厂商,以及受益国产替代及先进封装产业发展红利的上游设备厂商。

受益标的

芯碁微装

直写光刻设备龙头,先进封装打开成长空间

公司是直写光刻设备龙头。公司成立于 2015 年,以直写光刻底层技术为核心,发展 PCB、泛半导体、光伏铜电镀三大领域。直写光刻是应用广泛的图形化工艺,公司技术在该领域处于领先水平,是以微纳直写光刻技术为核心的平台型企业。

新益昌

国产固晶机龙头,半导体固晶机快速发展

公司是国内固晶机龙头。公司成立于 2006 年,目前公司已经成为国内LED 固晶机、电容器老化测试智能制造装备领域的领先企业,同时凭借深厚的研发实力和持续的技术创新能力,成功进入了半导体固晶机和MiniLED 固晶机市场。此外,公司部分智能制造装备产品核心零部件如驱动器、高精度读数头及直线电机、音圈电机等已经实现自研自产,是国内少有的具备核心零部件自主研发与生产能力的智能制造装备企业。

光力科技

国内半导体划片机设备龙头

公司已成为半导体封测设备以及关键零部件领域龙头企业。2016 年以来公司通过持续收购 LP、LPB、ADT 等公司迅速进入了半导体划片机及核心零部件空气主轴领域,根据公司 2022 年 4 月 12 日发布的投资者调研纪要,公司的半导体划片设备最关键的精密控制系统可以对步进电机实现低至 0.1 微米的控制精度,处于业内领先水平。公司有望充分受益于行业国产替代。

快克智能

电子装联设备龙头,布局半导体封测打开成长空间

电子装联设备龙头,布局半导体封测设备。公司布局电子装联精密焊接设备多年,2022 年荣获国家工信部电子装联精密焊接设备“制造业单项冠军”。公司立足于国家半导体设备国产化战略方向,通过自主研发、产学研合作、成立海外研发机构、并购扩张、产业基金合作等方式,多措并举打造国产化功率半导体封装核心设备,主要产品包括 IGBT 固晶机、甲酸焊接炉、纳米银烧结设备等。

劲拓股份

电子热工设备领先,半导体设备取得突破

公司在电子热工领域处于领先地位,被行业协会授予“SMT 领域龙头企业”,回流焊设备获国家工信部“制造业单项冠军产品”认证。公司自主研发的检测设备和自动化设备实现对电子热工设备的辅助和功能扩展,丰富了公司产品的应用场景,与电子热工设备配合为客户提供覆盖电子产品 PCB 生产过程中插件、焊接和检测的整套系统解决方案。

耐科装备

国内塑封设备知名企业

公司是国内半导体封装及塑料挤出成型智能制造装备领域知名企业。在半导体封装装备领域,作为国内为数不多的半导体封装设备及模具国产品牌供应商之一,公司已成为通富微电、华天科技、长电科技等头部半导体封装企业的供应商。通过差异化的自主创新和研发,经过多年的发展,掌握了成熟的核心关键技术和工艺,公司半导体封装设备与国际一流品牌如日本 TOWA、YAMADA 等同类产品的差距正逐渐缩小。公司目标是实现我国在半导体塑料封装装备领域的自主可控,在全球市场与国际一流品牌进行同台竞技。在挤出成型装备领域,产品远销全球 40多个国家和地区,服务于德国 Profine GmbH、美国 Eastern WholesaleFence LLC、比利时 Deceuninck NV 等众多全球著名品牌,出口规模连续多年位居我国同类产品首位。

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    自学成才的龙头选手
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    2023-07-18 19:22
    老师辛苦,感谢分享!
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    2023-07-18 18:41
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  • 只看TA
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