先进封装设备:半导体产业新增长极,多品类设备共享需求红利
随着半导体制程逼近物理极限,7nm以下先进制程的研发成本呈指数级增长,单条产线投资超200亿美元,且良率提升难度持续加大。在此背景下,“先进封装”成为延续摩尔定律的关键路径——通过 Chiplet(芯粒)、CoWoS(晶圆级系统集成)、TSV(硅通孔)等技术,将不同功能、不同制程的芯片异构集成,在无需突破制程极限的情况下,实现芯片性能提升与功耗降低。2023年以来,AI芯片需求爆发成为核心驱动力:英伟达H100 GPU采用CoWoS封装,单颗芯片需集成GPU核心、HBM存储与IO芯片;HBM存储更是依赖TSV技术实现垂直堆叠,单台AI服务器对先进封装的需求相当于普通服务器的5-8倍。这种爆发式需求,推动先进封装设备从“辅助环节”跃升为半导体设备市场的“新增长引擎”。
当前,先进封装设备需求全面激增,覆盖光刻、刻蚀、薄膜沉积、键合、测试等全流程。在CoWoS封装领域,晶圆键合设备成为核心增量:应用材料推出的Hybrid Bonding(混合键合)设备,通过铜-铜直接键合替代传统焊料,将键合密度提升10倍,适配3nm以下先进制程芯片集成,2024年订单量同比增长180%;ASM太平洋的高精度倒装键合设备,可实现1μm以下芯片对位,已批量供应台积电、三星的CoWoS产线。TSV技术相关设备中,深硅刻蚀设备需求翻倍,东京电子的TSV刻蚀设备能实现深宽比50:1的硅通孔加工,良率稳定在95%以上;薄膜沉积设备则向“超薄、均匀”升级,Lam Research的原子层沉积(ALD)设备可制备2nm以下的绝缘层,保障TSV的电气性能。此外,先进封装测试设备也同步升级,泰瑞达推出的多通道测试系统,可同时检测16颗集成HBM的AI芯片,测试效率提升3倍,2024年营收占比已超传统测试设备。
先进封装设备的快速增长,为设备厂商提供了两大核心经验。其一,“技术预判与客户协同”是关键。头部设备商早在2020年便预判先进封装趋势,提前与台积电、英伟达等企业合作开发定制化设备——例如应用材料与台积电联合研发混合键合设备,根据CoWoS工艺演进调整设备参数,确保设备与客户产线同步落地,避免“技术脱节”。其二,“全流程设备布局”提升抗风险能力。相比聚焦单一设备品类的厂商,覆盖刻蚀、沉积、键合全流程的设备商(如东京电子、应用材料)更能捕捉需求红利,例如东京电子凭借TSV刻蚀+薄膜沉积的组合方案,在HBM相关设备市场占据40%份额,显著高于单一设备厂商。此外,“工艺与设备深度融合”不可或缺,设备商通过派驻工程师入驻客户工厂,实时优化设备与工艺的适配性,帮助客户快速提升良率,形成“设备销售-工艺服务”的粘性模式。
短期来看,2024-2026年先进封装设备需求将持续高增,AI芯片与HBM存储的产能扩张是核心驱动力,预计全球先进封装设备市场规模将从2023年的80亿美元增至2026年的150亿美元,年复合增长率超23%。光刻、键合、测试设备将成为增长最快的细分品类,尤其混合键合设备,因适配更先进的Chiplet集成,需求增速或超30%。中长期而言,先进封装技术将向“3D立体集成”演进,推动设备向更高精度、更高效率升级——例如键合设备需实现纳米级对位,刻蚀设备需突破100:1的深宽比,这将倒逼设备商加大研发投入。不过,行业也面临挑战:先进封装设备技术壁垒高,研发周期长达3-5年,新进入者难以快速突破;若AI需求出现阶段性放缓,可能导致设备订单波动。未来,设备厂商需持续深化与芯片设计、制造企业的协同,同时拓展汽车电子、工业AI等新兴领域的先进封装需求,确保增长韧性,推动先进封装成为半导体产业可持续发展的核心支撑。
