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【芯观点】国内PCB产业与先进封装,能否抓住美国的一个“漏洞”?

来源:爱集微

#芯观点#

03-26 16:45

从汽车芯片缺货谈起

去年下半年以来,汽车芯片短缺危机从微露端倪到今年年初已呈燎原之势,众多业内分析师们在预判局势走向时莫衷一是,比如接受“集微访谈”栏目专访的美国半导体协会(SIA)全球政策副总裁Jimmy Goodrich就认为,到五六月份众多汽车厂商们就可以松一口气,而“集微访谈”的另一位受访人,德国(SNV)智库“技术与地缘政治”部门总监Jan-Peter Kleinhans则认为危机会一直持续到下半年,这种饶有趣味的隔空擂台,体现了美欧两位业内资深专家分析问题的立足点不一,模拟事件走向的参照系不同,推论的结果也会出现较大差异。

Kleinhans在集微访谈中谈到了封装环节对芯片短缺造成的影响

但无论如何,以两位为代表的全球芯片供需病症诊断者们达成了一个牢固的共识,即可以把这场“人祸”诿过于去年的新冠病毒疫情,它打乱了整个半导体产业链的正常运转。除此之外,我们还可以梳理出针对此问题的几条较为明晰的问题意识脉络:

一,去年下半年全球经济逐渐复苏反弹,加上“在家办公”等应用场景的集中出现,让手机、PC、游戏机电子消费类产品的芯片消费激增,挤压了代工厂对汽车芯片的供货配额,引发了业界对芯片细分市场内部利润博弈的大讨论;

二,特朗普执政团队对中国高科技企业非理性的打压,一系列禁令的出台让华为不得不未雨绸缪,提前囤积芯片,引发了各芯片大厂的囤货多米诺骨牌效应,按照《华尔街日报》评论员的说法,华为囤货就跟疫情刚开始大家屯厕纸一样,恐慌情绪蔓延,也打乱了芯片代工厂正常的发货节奏,为汽车芯片短缺埋下了伏笔;

三,即汽车制造产业链与芯片制造产业链均有庞杂繁复的上下游利益群体,越来越细的分工构成了某个制造环节的信息孤岛,制造与销售各自为政,上下游对接出现严重裂痕,导致零配件供应商对危机的判断和诸多一线大厂未能同步,德国大众和博世、大陆集团的互相指责就是明证,整个危机中为何丰田集团受影响最小?也是因为该公司和芯片代工厂保持着相对更互联互通的关系,用一种成本对赌的方法减少过量囤货给代工厂带来的产能过剩的风险。

上述几条迭加,助推了芯片产业区域化保护主义声浪的再度高涨,德国媒体在反思危机因何而起的时候,焦虑点却落在了“欧洲失去了芯片自主可控”之上,催生了新版本的欧盟半导体振兴计划,但是当缺货危机溢出到汽车芯片之外后,整个全球半导体才被逼迫仔细审视上下游的每一个制造环节,于是一条相对“隐秘”的暗线逐渐浮现出来——先进封装环节产生的交货问题。

须知,晶圆厂为客户制造成品芯片可能需要长达26周的时间,制造完成的半导体晶圆的周期时间平均大约需要两个半月,而先进工艺则可能需要14-20周,后端封测环节可能需要再多6周才能完成。

如果将集成电路芯片与各种电路元器件看作人类的大脑与身体内部的各种器官,那么芯片封装就是人的肌肉骨架,将封装中的连线看做血管神经,提供电源电压与电路信号传递的路径,以使产品电路功能得以充分发挥。总之,封装这个在资本密集型产业中的相对劳动密集型环节,完全可以成为整个供需链条中的一夫当关的裉节点(choke point),扼住芯片交货时间的咽喉。

美国的“盲点”

目前业界趋向的一个共识是,芯片高级封装技术可以继续榨出摩尔定律极限时刻的额外获利,然而有意思的是,以美国半导体协会(SIA)为主的高级业内智库在对联邦政府献言献策,勾画半导体制造美国自主计划的蓝图时,并没有特别关注甚至有意漠视了PCB和芯片封装环节,去年下半年SIA连续两份报告(《政府激励计划与美国半导体制造竞争力》和《2020美国半导体发展概述》)如果以“封装”和“PCB”作为关键词检索内容,不考虑注释内容,那么显示结果为零。可以说,美国半导体业界已经意识到美国的封装与测试(OSAT)全球市场份额预警明显落后于中国,如下图:

但美国半导体本土制造自足计划的一个重要立论点是,如果芯片制造过度离岸外包,则让美国半导体行业丧失先进材料更新换代的市场敏感性,让诸多Fabless半导体企业丧失制造流程的“在场感”,而封装环节的重要性被排在了前端制造工序之后,并未给与足够重视。

美国芯片封测公司Amkor高级副总裁St. Amand已经觉察到封装基板产业链正在陷入一个两难的困境:OEM需要更小、性能更高、功耗更低的芯片,倒逼封装技术提升,但2020年倒装芯片基板的交货时间比2019年足足延长了四倍,电子消费和汽车领域对PPG基板,以及计算领域对大型和多层单片ABF基板的需求持续增长,但产能却未能跟上,因为一条大型先进基板生产线的成本约为3亿美元,相对较为稀薄的利润让基板厂商投资更加谨慎,且融资困难。

PCB产业尤其是细分赛道的封装基板可以说是美国半导体制造自足计划暴风漩涡中心,看似相对平静,却让外围加速转动,刮起了一场更大的风暴。

逐渐浮现出来的封装基板(IC Substrate)问题

不少半导体制造领域的资深分析师把封装基板和PCB近来的涨价潮相关联,以论证原材料的供不应求导致PCB价格上涨,封装基板也跟着缺货进而连带让整个芯片封装环节跟着受连累,这个判断相当的合理,毕竟,此现象最突出的表征就是全球铜价的上升,而铜是PCB最常见的导体材料。根据《金融时报》2月底的报告,10年来工业金属铜的价格首次上涨至每吨9000美元,铜市场正迎来10年来最大的供应短缺(32.7万吨),多米诺骨牌延伸到了封装基板的原材料缺货,尤其是覆铜板(copper clad laminate,简称CCL)的市场应用。

在去年下半年汽车芯片缺货引发的一系列问题中,封装环节的供血不足以被看作主要矛盾,但也足够引起业内的警醒:在欧美各国都在高举芯片“自主”大旗,self-reliant, self-sufficient频频成为关键词的当下,国内半导体行业应有怎样的策略面对这种景象?

我国PCB产业的长处与短板

摩根斯坦利去年6月21日发布了全球PCB与CCL市场概览与展望,报告显示2000年,全球PCB的销售额为416亿美元,中国当时的份额为8%(约34亿美元),2019年全球PCB的销售额暴增了47%,达到了613亿美元,十年内中国的PCB营业额暴增了8.78倍,为329亿美元,市占率达到了54%,可以说是全球PCB市场的半壁江山。

为何中国的PCB市场能在短短十年内就可执牛耳,令欧美同行纷纷侧目?其中一个很重要的原因就是中国的PCB企业市场化程度非常高,忠实地遵循了半导体行业上下游协同一致精细化分工的策略。

除了像华为这样的品牌商之外,ODM在电路和布线方面自主决定外包给哪家公司(主要是中国台湾地区的PCB代工厂),这些代工厂反哺了中国上游PCB厂家的生产能力,制造集群的形成还有助于加快产品上市时间,从而提高其生产效率和交货能力,与中国大陆的地方政府的配套激励措施形成了良性循环,中国大陆排名前10位的PCB公司的收入复合年增长率为16%,把他们的年度营业额相加,这个数字已经比较接近2019年全球汽车半导体销售量的总额(372亿美元)。

PCB市场份额整体占比超过50%,但价值链占比只有20%,这个差额也反映出我国高端PCB之制造能力的不足(数据来源:Morgan Stanley)

那么,我国PCB市场的终端需求或者说内部消化的应用场景都有哪些?由于PCB板的精细化发展速度低于芯片的精细化发展速度,封装基板尤其是高密度多层封装基板逐渐从PCB中分离出来,形成专门的一个大类,如果把PCB粗略划分为硬板(刚性版Rigid PCB),挠性版(Flexible PCB)和封装基板(IC substrates)三大块,我们发现除了封装基板之外,国内PCB市场主要依靠4G和5G基站来拉动。无线基础设施、服务器/数据存储和优先基础设施是未来增速最快的细分领域,尤其是通信设备中PCB和服务器/数据存储中的PCB高多层板需求占比超过40%。

我国PCB市场细分领域增长情况(@Morgan Stanley)

全球PCB产能逐步向中国大陆加速转移,和通信产业的拓展几乎同步,5G基站和数据中心建设不但为PCB硬件提供了广阔的应用场景,而且增加了新技术革新的试错空间,5G基站的天线阵子需要排列在PCB上,以PCB作为承载体和线路连接,规模化效应也摊薄了PCB的成本。

比如中兴通讯南京滨江5G生产工厂,利用5G云化AGV自动搬运SMT单板至周转区暂存(如下图),自动化完成批次配送和实时配送物料资源,每年可以生产50万个PCB基板用于5G基站的建设。

然而再反观我国PCB细分赛道中的封装基板(IC substrate)则完全是另一副模样,目前中国封装基板的全球市场占有率为2%,即便是有半导体行业自主化政策的顶层设计推动,到2025年这个数字可以翻倍,也不过是在4%-5%之间,这与我国PCB整体全球占比严重不匹配,也与我国占全球半导体封装价值链五分之一的整体图景不相称,如下图:

其根本原因在于,封装基板在制造环节上虽然属于后端,但它所隶属的半导体材料与设备这个大类则是高附加值产业,晶圆制造设备大约占整体的80%,但封装设备依然可以占到7%,无论是前者的80%还是后者的7%,都可以集中反映我国半导体制造总面貌的重大短板。

2018年全球高端封装营收,按照区域划分占比,中国占21%(@Yole)

对此,集微网3月25日采访了全球半导体市场著名分析机构VLSIresearch的主席Risto Puhakka,他在“集微访谈”中也特别提到,先进封装有可能是中国弯道超车的主要发力点之一:“中国目前的芯片工艺正处在朝着14nm甚至10nm的突破过程中,利用先进封装技术,可以在后道方面进一步提升芯片性能,降低功耗。”

3月25日,VLSIresearch主席Risto Puhakka接受了集微网的采访

结语

二月份,台积电董事长刘德音在ISSCC大会上的发言有很多弦外之音,多处暗示高级封装技术的重心正在慢慢从后端封装厂移到前端半导体代工厂;刚刚更换CEO的英特尔也明确表示更多会从改善CSP封装中的PCB与焊球连接点这一角度发力,以求有更好的散热效果,总之,提升芯片性能,制造环节中的高级封装是一块极具潜力可挖的“富矿”,PCB产业链也会随着技术革新重新校准上下游的咬合点。

汽车芯片缺货危机的蔓延逐渐让PCB与封装基板问题重回业内中心视野内,国内PCB市场全球占比份额过多依靠通讯类基站推动,改变这种“单腿走路”的不平衡发展模式的突破口莫过于提升高级封装技术水平,而这恰恰也是美国半导体制造计划中的相对薄弱环节,以己之利矛,攻彼之软肋,方为上策。

(校对/holly)

责编: Aki

隐德来希

作者

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