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IC载板行业研究报告关键材料供不应求,国

(报告出品方/作者:财通证券,张益敏、吴姣晨)

1.IC载板是芯片封装环节关键部件

1.1.连接DIE与PCB信号的载体,FC-BGA载板技术要求高

IC载板又称封装基板,是连接并传递裸芯片(DIE)与印刷电路板(PCB)之间信号的载体,可理解为一种高端PCB产品。IC载板的功能主要是保护电路、固定线路与导散余热,是封装制程中的关键部件,其在低端封装中成本占比40-50%,高端封装中占比70-80%。在高阶封装领域,IC载板已替代传统的引线框架。

IC载板相比PCB具有更高的技术要求。IC载板由HDI(高密互联)技术发展而来,从普通PCB到HDI到SLP(类载板)到IC载板,加工精度逐步提升。区别于传统PCB的减成法,IC载板主要采用SAP(半加成法)与MSAP(改良型半加成法)等工艺进行制造,所需设备有所不同,加工成本更高,线宽/线距、板厚、孔径等指标更为精细,同时对于耐热性要求也更高。

IC载板可根据封装方式、基材进行分类。

IC载板按主流封装方式可分为WB/FC×BGA/CSP等四类,FC-BGA技术要求最高。WB/FC是裸芯片与载板的连接方式,WB(WireBonding,打线)采用引线方式将裸芯片与载板连接,FC(FlipChip,覆晶)将裸芯片正面翻覆,以锡球凸块直接连接载板,作为芯片与电路板间电性连接与传输的缓冲介面。FC由于使用锡球替代引线,相比WB提高了载板信号密度,提升芯片性能,凸点对位校正方便,提高良率,是更为先进的连接方式。

BGA/CSP是载板与PCB之间的连接方式,CSP适用移动端芯片,BGA适用PC/服务器级高性能处理器。BGA(BallGridArray,球栅阵列封装)是在晶片底部以阵列的方式布置许多锡球,以锡球阵列替代传统金属导线架作为接脚。CSP(ChipScalePackage,芯片级封装)可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相当接近1:1的理想情况,约为普通的BGA的1/3,可理解为锡球间隔及直径更小的BGA。从下游应用来看,FC-CSP多用于移动设备的AP、基带芯片,FC-BGA用于PC、服务器级CPU、GPU等高性能芯片封装,基板具有层数多、面积大、线路密度高、线宽线距小以及通孔、盲孔孔径小等特点,其加工难度远大于FC-CSP封装基板。

IC载板按基材分为BT/ABF/MIS三类,高性能处理器载板用ABF材料被日本味之素垄断。IC载板的基板类似PCB覆铜板,主要分为硬质基板、柔性薄膜基板和共烧陶瓷基板三大种类,其中硬质基板和柔性基板基本占据全部市场空间,主要有BT、ABF、MIS三种基材。BT基板是由三菱瓦斯研发的一种树脂材料,良好的耐热及电气性能使其替代了传统陶瓷基板,它不易热涨冷缩、尺寸稳定,材质硬、线路粗,主要用于手机MEMS、通信及储存芯片封装。ABF是由日本味之素研发的一种增层薄膜材料,硬度更高、厚度薄、绝缘性好,适用于细线路、高层数、多引脚、高信息传输的IC封装,应用于高性能CPU、GPU、chipsets等领域。ABF产能被味之素完全垄断,是国内载板生产卡脖子的关键原材料。MIS是一种新型材料,与传统的基板不同,包含一层或多层预包封结构,每一层都通过电镀铜来进行互连,线路更细、电性能更优、体积更小,在功率、模拟IC及数字货币领域快速发展。

1.2.下游应用适配封装工艺交替增长,服务器/存储是未来驱动因素

IC载板由于主要应用于IC封装,其规模增长伴随半导体行业规模增速呈现一定周期性波动,年半导体行业整体景气度延续向上趋势,因此也拉动IC载板市场规模高增,增速达到近十年来高点。

复盘历史,下游各类终端应用及所适配的封装工艺的交替驱动着IC载板的增长:-:PC及服务器芯片快速增长,所使用FC-BGA载板成为主要增长驱动,期间市场规模增速10.2%,出货量增速20.2%。-:智能手机兴起,移动端芯片需求高涨,FC-CSP封装基板小尺寸特征契合移动端“轻薄短小”需求快速增长,FC-BGA封装基板下滑。由于移动终端市场竞争激烈、尺寸小等因素导致载板单价更低,因此虽然出货量有所增长,价值量却有所回落,期间市场规模增速-3.1%,出货量增速4.3%。-:PC复苏、服务器需求上行,市场拐点到来,FC-BGA及模组载板增长加速,载板市场由过剩转为短缺,期间规模增速8%,出货量增速6.1%。-:年IC载板市场规模达到亿美元,同比增加40亿美元,增速39%,出货量0.78亿片,增速13%。FC-BGA载板与新兴的AiP/SiP等模组载板成为主要增长动力,复合增速超10%,手机市场的放缓减弱了对FCCSP载板的需求。预计载板市场规模增速13.2%,出货量增速7.9%。

从下游应用来看,PC、服务器、消费电子、通信应用合计占比95%,服务器/存储用高性能计算及存储芯片对载板需求是未来最主要增长动力。年PC(高性能CPU/GPU,42亿美元,29%)仍是第一大主流应用,手机(SoC/射频,36亿美元,25%)、服务器/存储(高性能处理器/存储,24亿美元,17%)、其他消费类(21亿美元,15%)紧随其后,前四大应用合计占据86%的份额,此外通信(有线+无线,13亿美元,9%)也占据一定份额。未来预计PC由疫情居家带来的高增长出现回落,消费电子(手机+其他)回归平稳,服务器/存储类芯片对于载板的需求将成为主要驱动力,无线侧通信及汽车也将有略高于平均的增速。

从技术趋势上来看,封装工艺的发展带动载板发展,FC工艺已成主流,多芯片3D封装、大尺寸高多层基板是当前发展方向。由于晶圆制程的发展以及下游应用“轻薄短小”的需求,载板向高密度IO/轻薄/细线路/微凸间距发展,进入21世纪后FC工艺替代WB成为主流;为提高性能、降低功耗、提高I/O,现阶段的单芯片封装将逐步向多芯片或整合性芯片封装发展,3D封装对于基板高密凸块及高刚性需求也是下代基板的发展方向;5G/AI/HPC等应用拉动对高多层(22L)与大尺寸(mm2)载板的需求。

2.需求端:高性能芯片带动ABF载板,国产载板有望受益本土产业链配套需求

2.1.高性能计算芯片驱动ABF需求提升

北美云巨头业务强韧性,CAPEX有望维持增长带动服务器需求提升。根据各公司22Q2财报,亚马逊AWS实现营收.39亿美元,同比增长33%;谷歌云实现营收62.76亿美元,同比增长35.6%;微软云业务实现营收.1亿美元,同比增长20%;三大云巨头CAPEX也分别增长了8.6%/24.2%/6.5%,全年有望维持高位。根据SynergyResearchGroup数据,Q2全球企业在云基础设施服务上支出达亿美元,同比增长29%。云服务商CAPEX增长,将带动服务器出货量持续增加,根据IDC数据,年全球服务器出货量有望达到0万台,同比增长10%,至年将增长至万台,CAGR7.3%。

算力作为数字经济核心生产要素对硬件基础设施建设产生配套需求,HPC+AI服务器作为高算力代表加速渗透。HPC(高性能计算机群)又称超级计算机,由多个高算力芯片或计算机集群组成,拥有比传统计算机更强大的数据处理与计算能力,早年主要用于政府科研、教育科研、国防、CAE和生物科学领域,企业对于云计算、大数据、AI等需求的日益增长+门槛降低为HPC带来增量市场。根据HyperionResearch预测,年全球HPC服务器市场规模达亿美元,同比增长7.1%,预计至年将增长至约亿美元,CAGR8.1%。AI服务器是面向深度学习神经网络需要的快速、低精度、浮点运算高度并行数值计算,搭载大量计算内核和高带宽内存资源,用于支撑深度学习训练和线上推理的计算框架。年全球AI服务器市场规模为亿美元,同比增长31%,预计年将增长至亿美元,CAGR15.8%。由于二者应用领域有相同之处,因此HPC与AI服务器出现融合趋势,各家处理器厂商也纷纷推出新平台以满足HPC+AI的复合需求,两种服务器的边界也正在模糊。随着云计算、大数据、AI的算力需求日益增长,HPC+AI在服务器中的渗透率也将有所提升。

HPC/AI服务器作为高性能计算平台,芯片组采用异构平台方案。传统服务器通常仅使用CPU进行运算,HPC/AI服务器则采用“CPU+GPU/FPGA/ASIC”异构平台进行并行计算,从CPU到GPU到FPGA到ASIC,芯片通用性降低,但运算效率提升,异构组合方案适用不同计算场景提升了整体运算效率。

采用异构平台的服务器单机芯片用量更多。以市占率全球第二、中国第一的浪潮服务器为例,同尺寸下浪潮HPC/AI服务器在通用服务器所配备的2颗英特尔CPU的基础上增加了加速卡,适配4-8颗英伟达GPU/赛灵思FPGA芯片,芯片用量成倍提升。随着HPC/AI服务器渗透率的提升,全球服务器的单机台芯片用量预计也将有所增加,将带动单台服务器所使用ABF载板面积增加。

HPC/AI芯片增长提升ABF载板需求。HPC/AI服务器所使用芯片均为桌面级高性能计算芯片,ABF载板大尺寸、高密度线路契合HPC/AI多芯片异构及高密互联的需求,HPC/AI服务器也是ABF载板主要下游应用之一。根据QYR数据,年全球ABF载板市场规模达43.68亿美元,预计至年还将增长至65.29亿美元,CAGR5.56%,其中中国大陆年市场规模为6.64亿美元,约占全球的15.2%,预计年将达到13.64亿美元,CAGR10.83%,届时全球占比将达到20.9%。目前ABF应用中PC占比最高为61%,数据中心/服务器则占比17.8%,受云计算、大数据、AI等算力需求驱动,HPC/AI芯片所用ABF载板将享有最快增速,-CAGR为21.8%。

2.2.Chiplet赋能华为自研服务器芯片弯道超车,国产载板配套正当时

华为受制裁“缺芯”被迫出售x86服务器业务。自年5月华为被列入实体清单后,美国政府对于华为供应链封锁日益加强,年9月15日后,镁光、三星、海力士、英特尔、高通、索尼、联发科、台积电、中芯国际等存储、处理器、代工厂商被迫停止向华为供货,华为陷入无法外采芯片、自研芯片无法使用先进制程制造的局面,年华为被迫出售部分消费电子业务(荣耀)与x86服务器业务(超聚变)。

Chiplet封装工艺有望助力国产半导体企业实现弯道超车。Chiplet俗称芯粒,也叫小芯片,它是将一类满足特定功能的die(裸片),通过die-to-die内部互联技术实现多个模块芯片与底层基础芯片封装在一起,形成一个系统芯片,以实现一种新形式的IP复用。它可以将不同制程的芯片封装到一起达到系统化最优性能,具有提高大芯片良率、降低设计复杂度与成本、降低制造成本等优势,在摩尔定律放缓后被视为中国半导体企业弯道超车的机会。

华为自研chiplet服务器芯片有望替代intelx86处理器。华为海思是国内最早尝试chiplet厂商之一,年海思第三代服务器处理器鲲鹏(ARM架构)即采用台积电异构CoWoS3DIC封装工艺,将16nm逻辑芯片与28nmI/O芯片集成在一起。海思年量产的第四代服务器处理器鲲鹏,通过采用Chiplet技术,将7nm逻辑芯片与16nmI/O芯片等集成在一颗大芯片中,实现了具有成本效益的系统解决方案。采用chiplet的高性能鲲鹏芯片用于华为ARM架构服务器,叠加其自研AI芯片可实现对intel/AMD/NVIDIA芯片的替代,有望对华为出售的x86服务器业务损失形成弥补,也有望为国产载板厂打开配套空间。

华为服务器有望为国产载板厂每年带来5.87亿元的配套市场空间。根据IDC数据,年中国x86服务器出货量将达到万台,其中AI服务器占比约21%,至年将增长至万台,CAGR8.8%。年华为+超聚变在中国x86市场份额合计约18%,对应出货量67.5万台。华为的普通服务器内置2颗CPU,AI服务器内置4颗CPU+8颗AI芯片(自研昇腾),我们假设AI服务器出货占比为21%。

2.3.国产储存芯片从0到1突破带来国产BT载板配套空间

存储芯片主要用于存储数据,广泛应用于智能手机、PC、服务器等领域,按照断电是否可保存数据可分为易失性(断电不可保存,DRAM、SRAM)与非易失性(断电可保存,Flash)芯片。DRAM与Flash(尤其是NANDFlash)是主流存储芯片,占据98%市场份额,分别作为运行内存(小容量短时高速存储)与数据存储(大容量长时低速存储)广泛用于智能手机、PC、服务器等下游领域。智能手机、PC、服务器等设备需要进行数据存储,Flash虽然读写速度相对受限,但单位存储成本低,且断电数据不会丢失,因此用于大量数据的存放。但这些设备运行时,处理器需要与数据进行频繁交互,Flash无法满足要求,此时DRAM,也是通常所说的内存,会先从Flash中读取数据并进行存储与改写,其具有更高读写速度,可满足与处理器的交互需求。此外还有读写速度更高容量更小的SRAM负责缓存处理器的临时数据。

国产储存芯片厂商实现从0到1的突破,长存、长鑫有望在NANDFlash、DRAM市场占据一定份额。为在存储芯片市场,美日韩厂商占据了主要份额,其中DRAM市场韩国三星+海力士占有全球72%的市场份额,在NANDFlash市场,韩国则占有全球47%的市场份额,美日厂商瓜分剩余绝大部分份额,我国储存芯片长期受制于海外厂商。为打破这一局面,国产千亿级项目厂商长江存储(主攻NANDFlash)、长鑫存储(主攻DRAM)实现了储存芯片国产化从0到1的突破。长江存储武汉存储器基地一期产能已稳定量产,年产能10万片/月,二期已于年6月动工,达产后总产能将达到30万片/月,预计市场份额可提升至7%,超越英特尔成为世界第六大NAND芯片厂商。长鑫存储则已于年实现6万片/月产能目标,年将达到12万片/月,市场份额有望提升到8%。国产储存芯片从0到1的突破为存储用国产BT载板带来了配套空间。

2.4.国产载板厂商长期有望受益于芯片制造、封测产能向大陆转移

国产IC载板厂商的成长有望受益国产半导体产业链的配套,大陆晶圆制造、封测配套是重要机遇。大陆晶圆制造产能积极扩张,封测厂商已占据全球重要份额。根据ICinsights数据,中国IC制造市场规模在中国IC市场整体规模中占比持续提升,从年的10.2%提升至年16.7%,预计年还将提升至21.2%,其规模对应复合增速达13.3%,超过中国IC整体市场规模8%的复合增速,与之对应的是大陆70余条晶圆制造产业在未来几年近乎翻倍的扩产计划。另一方面当前大陆封测厂商已在全球占据重要地位,长电科技、通富微电、华天科技年全球市场份额排名分别位列第3/5/6名,合计占比20%。国内晶圆制造与封测厂的链配套需求将为国产载板厂商带来替代空间。

3.供给端:高壁垒下ABF载板供不应求,主要厂商扩产但供应仍受限

3.1.IC载板存在资金、技术、客户三重壁垒,新进难度大

IC载板由于直接和裸芯片相连,其制造存在资金(大)、技术(难)、客户(慢)三重壁垒。资金壁垒:IC载板作为资金密集型产业,其复杂的生产工艺需要大量的进口设备投资,同时下游客户对载板厂进行认证时,产能也是考核要求之一,新进入者需一次性投入大量资金,且短期难以看到回报。年兴森投资的1万平/月载板产线的设备投资额约5亿元,后期累计亏损超4亿,后续产能稳定在平/月,设备的资本支出也超2.5亿元。近年深南、兴森两家厂商均拟投资60亿在设立高阶IC载板产线,年产能约2亿颗,其中兴森的项目的两期产线分别于/年达产,年产值与投资额相当。

技术壁垒:IC载板之间与芯片相连,与普通PCB产品相比,产品尺寸较小、精密度较高,在线路精细、孔距大小和信号干扰等方面要求非常高,因此需要高度精密的层间对位技术、电镀能力、钻孔技术。消费电子对IC载板提出了轻薄短小的需求,服务器产品对IC载板提出了高密互联的需求,IC载板的生产融合了材料、化学、机械、光学等多领域工艺技术,除了先进设备的配置,还需要生产工艺与技术的不断积累,因而对新进企业形成了较高的技术壁垒。

客户壁垒:IC载板下游多为大客户,其对质量、规模、效率、供应链安全均有极高的要求,对载板这类核心零部件采购一般采用“合格供应商认证制度”,对供应商的运营网络、管理系统、行业经验、品牌声誉均有较高要求,认证需要经历生产体系认证、产品认证、小订单试用、小批量订单、大批量订单等长周期过程,例如三星的存储载板认证周期长达24个月。且认证通过后,下游客户将与载板厂保持长期合作关系,缺乏更换供应商的动力,对缺乏客户基础的新企业形成了显著的进入壁垒。

3.2.全球IC载板市场集中,中国台湾、日本、韩国份额合计80%

全球IC载板市场集中,中国台湾、日本、韩国是主要玩家,内资厂商占比仅5.3%。据Prismark统计,从厂商来看,全球封装基板CR10=80%、CR3=36%,前三大厂商为中国台湾欣兴、日本揖斐电、韩国三星电机,市占率分别15%、11%、10%。从产地来看,封装基本的主要生产地为中国台湾、日本、韩国,分别为31%、20%、28%,中国大陆产值为16%,但包括了外资在大陆所设产能。内资厂主要包括深南、兴森、越亚、生益科技等,年全球占比仅5.3%。

IC载板产业配套集成电路产业链从日本向中国台湾、韩国地区转移,中国大陆处于起步阶段。IC载板起源日本,早期BT载板引领市场,诞生了诸如揖斐电、新光和京瓷等领先企业,与日本半导体产业形成配套。随着半导体产业链向中国台湾、韩国等地区转移,IC载板产业也随之迁移,欣兴、景硕、南亚、三星电机等一系列领先厂商应运而生。由于台韩企业产业链配套优势及成本优势,对日本厂商中低端产品市场份额形成侵占,日厂退居高端FC载板领域,但先发优势导致了其产业链配套完善,在IC载板上游的材料、设备等领域具有一定垄断优势。三星电机产品线主要提供FC及射频模组载板,与本土三星电子等厂商形成配套。中国台湾占据全球一半晶圆代工产能,南亚、景硕和欣兴作为主要载板厂支持着中国台湾芯片封装产业。中国大陆集成电路产业起步较晚,因此产业链配套尚不完善,IC载板厂商尚处于起步阶段。

3.3.ABF载板供不应求,主要载板厂扩产但供应预计仍受限

受益高性能计算芯片需求,ABF载板进入供不应求状态。年以前,由于移动设备的发展削弱了对桌面级高性能芯片的需求,对应FC-BGA封装所用ABF载板需求偏弱,随着PC市场回暖,云计算、AI等对高性能芯片的需求高涨,新处理器芯片尺寸更大,新封装技术所需载板层数增加,ABF载板进入供不应求的状态。全球最大载板厂商欣兴电子则表示其ABF载板产能已被预订至年。英特尔、英伟达和AMD的高管近几个月都曾对ABF载板的短缺发出过警告,博通主要路由器芯片的交货时间也因此将从63周延长至70周。据拓璞研究院数据,估计-年全球ABF载板平均月需求量将从1.85亿颗成长至3.45亿颗,年复合增长率达16.9%。主要载板厂商针对ABF载板大规模扩产。为应对ABF载板供不应求局面,全球主要载板厂商积极扩产,平均资本开支在50亿元以上量级,且主要扩产计划均针对当前供不应求的ABF载板,例如龙头厂商新兴电子上调年资本开支至.58亿新台币(约合80.7亿人民币),其中60%左右将投入扩充ABF载板产能,其余各家资金投入也在相近量级,产能扩充30%-50%不等。

上游ABF薄膜材料由日本味之素完全垄断,扩产意愿不足制约ABF载板产能增长。ABF载板上游主要基材为ABF薄膜,其产能由日本味之素完全垄断。该产品源于其味精产品的副产物,极高的绝缘性能契合了高性能芯片高密连接场景下的线路互不干扰的需求,被intel率先采用,然而目前尚无大规模量产的可替代品出现。尽管味之素公司已经宣布增产,但增产规模保守。味之素曾于年6月宣布未来四年的CAGR为14%,低于ABF载板需求的增速。高阶ABF载板面积增大,良率降低,对供给形成进一步制约。随着芯片尺寸的增大,I/O数目增加,更高阶的ABF载板面积增大、层数增多、复杂程度增加,都大大降低了产品良率,根据测算,6×6厘米载板的的良率仅为30-50%,更大面积的设计也较为常见,因此实际供给增加的进度将慢于产能扩充的进度。

4.投资分析:


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