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    先進封裝材料之爭 | 國產EMC全線布局,高端量產未來可期

    2023/09/06
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    新興應用市場持續帶動環氧塑封料市場的增長。先進封裝元件的輕薄化、大功率、高集成度趨勢對環氧塑封料的性能要求也越來越高。全球環氧塑封市場產品迭代更級也越來越快。中國擁有最廣泛的EMC市場,外企憑借技術沉淀,結合中國客戶需求,不斷開發更為優質、實用的材料。中國企業也努力提升自身的研發和出貨能力,持續與國際領先水平接軌。

    環氧塑封料(Epoxy Molding Compound,簡稱EMC)是用于半導體封裝的一種熱固性化學材料,是指分子中含有兩個以上環氧基團的一類聚合物的總稱,其主要成分為環氧樹脂、硬化劑、二氧化硅及其他添加劑。環氧樹脂最初是由環氧氯丙烷和雙酚A縮合而成,但現在環氧樹脂通常由雙酚A的低分子量二縮水甘油醚和各種改性形成。環氧樹脂有多種熱固性結構和固化劑變化。因此,物理特性可以在很大的剛性和柔性范圍內變化。

    環氧樹脂通常具有較高的機械和電氣性能、良好的著色性和優異的耐熱性。作為半導體封裝材料防止芯片受到沖擊并耐候,覆蓋電感、連接器、電源等電子元件,全球90%以上電子器件采用EMC封裝。

    EMC全球技術趨勢與競爭格局

    環氧塑封料主要壁壘是配方技術,來自各類復雜聚合物填料(環氧樹脂、偶聯劑、硬化劑、硅微粉、氧化鋁等)和添加劑(脫模劑、染色劑、阻燃劑、應力添加劑、粘結劑等)的巧妙組合,根據用客戶需求掌握配方品質和工藝控制,樣品最終交付下游客戶考核驗證。一款高性能的先進封裝材料,需要廠商長期的技術積累及持續的研發投入。

    面向BGA、SCP、FOWLP、SiP等先進封裝用環氧塑封料需要低翹曲、低膨脹、高填充和高導熱的性能。2.5D/3D、FOWLP/FOPLP 以及系統級封裝等先進封裝需要更高流動性的GMC/LMC產品。AI帶來了較大的HBM的需求,HBM需要散熱性更高的 EMC 產品,為先進封裝打開的新增長空間。

    由于日本環氧塑封料廠商通過持續不斷的研發準確反映市場趨勢和用戶愿望,掌握了完善的產品配方開發流程與大量核心知識產權專利,因此在高性能先進封裝應用領域主要份額為日系企業所壟斷,這些日企為:住友電木(Sumitomo Bakelite)、 Resonac(昭和電工與日立化成合并而成)、松下電工(Panasonic)、京瓷(Kyocera)、信越化學(ShinEtsu Chemical)、日東電工、東芝、長瀨工(Nagase)等。另有韓國KCC、Samsung SDI、Nepes,?美國瀚森(Hexion)、臺灣長興工業?(Eternal Materials)和長春塑封料……

    這些外商品牌在中高端產品中占有較大份額,無論是在產能規模還是在產品結構上,擁有比中國大陸廠商更強勁、更廣泛的全球合作競爭優勢,其中幾家全球知名的半導體材料制造商,在高端先進封裝用環氧塑封材料放量更是處于完全壟斷地位。

    1950年代,陶瓷、金屬、玻璃等封裝難以適應半導體工業化的要求。于是乎,美國人開始研究塑料來代替昂貴的材料封裝,到1962年塑料封裝晶體管在工業上已初具規模。后來傳到日本,日、美等公司不斷精選原材料和生產工藝,最終完善了的環氧塑封料工藝,首次在航空航天工業中進行商業應用,此后迅速滲透到幾乎所有工業領域。

    1976年中科院化學所在國內率先開拓環氧塑封料研究領域,與此同時,無錫化工研究設計院、上海復旦大學相繼開發EMC。1983年開始,連云港電子器材廠開始研究并實現規?;a。但國內EMC產業遭遇人力、財力和技術的三重困境。1990年代,以住友電木、日立化成為代表的日資品牌進駐中國市場,外資廠商憑借先發優勢、悠久的供應歷史以及相對成熟的技術水平,在EMC領域占據主導地位,中國本土EMC企業難以進入全球供應鏈,直到中美貿易戰以前。

    目前中國是全球最大的環氧塑封料制造市場。中國廠商仍主要以滿足國內需求為主,出口不占優勢。日本住友電木和昭和電工占國內市場半壁江山。國產環氧塑封料(含臺資)市場占比約為30%左右。國內適用于一般封裝的中低端環氧塑封料,滿足SOTSOPSOD等傳統封裝的需求,大部分仍集中在分立器件和中小規模集成電路封裝用的環氧塑封料領域。

    近幾年在國產替代浪潮中,國產環氧塑封料快速進步,材料基礎性能和參數追趕國際先進產品,另外憑借就近采購成本優勢正在吸引國內封裝廠積極導入驗證、試用和訂單。在QFP、QFN、BGA、CSP等目前市場銷售形成小規模,MUF、FOWLP等領域,國產目前仍處于驗證階段,部分產品已實現小批量。目前國內高端EMC產品與國外仍有5-10年以上的代差。

    今后,國產EMC廠商仍需要大力加強高端環氧塑封料的研發驗證與出貨能力,包括高端模組用環氧塑封料、高導熱環氧塑封料、QFN/BGA用環氧塑封料、Low Dk/Df環氧塑封料、高Tg/高可靠性環氧塑封料以及面向FOWLP/板級封裝用環氧塑封料。

    海外EMC廠商通過幾十年的技術積累和服務經驗,遵循半導體封裝多樣化的要求,不斷供應能滿足客戶各類需求的EMC產品,推動先進封裝進入更高競技水平,并奠定了不可撼動的品牌效應。

    住友電木(Sumitomo Bakelite Co., Ltd.)是一家總部位于日本東京的化學工業公司,半導體材料是公司三大板塊之一。住友電木目前擁有全球最大的環氧塑封料業務。用于半導體器件封裝的環氧塑封料品牌——SUMIKON? EME 占據全球40%市場份額,來自中國的營收占比約為20%。在九州、新加坡、蘇州、臺灣設有生產工廠和研究所。

    SUMIKON? EME為環保型產品,未使用溴系及銻系阻燃劑,阻燃試驗標準UL-94的等級達到V-0。用于“大型電子模塊(ECU)”、電機轉子磁體固定、傳感器模塊、電源模塊的保護、防濕、絕緣用途的封裝。

    SUMIKON??系列?圖源:住友電木

    住友電木看到在半導體市場,對遠程工作外圍設備、家用電器和數據中心應用、實現碳中和的可再生能源應用以及汽車(自動駕駛電動汽車)和工業應用的需求不斷增加。為了確保未來進一步擴大的中國市場作為可行的半導體封裝材料的充足供應能力,計劃投資約66億日元在蘇州工業園區獲得土地并建設半導體封裝用環氧模塑料生產建設項目并將在中國的產能擴大1.3次。新工廠占地約60,000 ㎡,計劃于2023財年完成建筑和生產線的安裝,并于2024財年初開始生產。項目建成后,年產半導體芯片封裝用環氧模塑料33240噸、芯片貼片膠19.98 噸,研發芯片貼片膠和環氧模塑料。

    力森諾科(Resonac Corporation)是半導體行業環氧模塑料的頂級供應商之一,2022年由昭和電工與日立化成合并而成,半導體及電子材料是公司四大板塊業務之一。Resonac 擁有30多年的經驗。代號為CEL系列產品可用在引線框架和基板。

    引線框架用EMC來自昭和電工材料的環氧塑封料,具有卓越的連續作業性能卓越的耐濕性、耐熱沖擊性、耐回流焊性。支持DIP、SOP、TSOP、QFP 、TQFP、 LQFP等封裝形式。

    基板用環氧塑封料CEL系列同樣來自昭和電工材料的環氧塑封料,具備可降低封裝的翹曲、卓越的耐回流焊特性,可支持Flip chip的極小底部填充。支持的封裝形式:CSP、BGA、Stacked MCP及其他。

    隨著汽車行業的不斷發展,封裝需要滿足 AEC-Q100 Grade0 MSL1 標準及更高標準。Resonac 公司正在開發新的 EMC 來應對這一挑戰——NH-860 系列。它采用低模量和高粘合強度設計,采用非粗糙化 QFN 封裝,具有高效能、降低整體封裝成本的良好潛力。

    力森諾科蘇州公司(原藹司蒂電工材料蘇州公司)是日立集團的成員之一,是環氧塑封行業的領先者,占大陸集成電路塑封料市場份額35%。2022年公司計劃總投資5億元,新購45畝工業用地用于擴建先進集成電路專用環氧塑封料及芯片貼片材料廠房,將填補未來5-10年集成電路行業對于環氧塑封需求的市場空缺。

    三星SDI是三星集團在電子領域的附屬企業。在1994年通過開發半導體密封劑EMC,邁出了進軍電子材料業務領域的第一步。其Starem? 環氧模塑料 (EMC) 用于功率分立半導體封裝。其主要成分為環氧樹脂、硬化劑、二氧化硅及其他添加劑,提供多種無鹵化合物的產品線:擁有提高組裝成品率、低溫固化和寬工藝的MUF EMC;控制Warpage的最佳解決方案、優秀疊層收率提高可靠性的PoP-t EMC;良好的可塑性和高覆蓋性、優秀的顆粒尺寸控制的Granule EMC。應用包括存儲器、系統LSI、單個設備等。

    三星 SDI 停產產品名稱

    三星SDI在環氧模塑料業務中是一個相對較新的公司,于2014年Cheil Industries被三星SDI收購時從Cheil Industries收購了該業務。2000 年初,Cheil Industries 開始積極拓展其 EMC 業務,推廣用于單一、超大容量離散應用的超低成本環氧模塑料。這些成熟產品通常是 TO220、TO247 和 TO92 封裝用。但其價格比競爭對手低了60%之多。2018年8月,三星SDI宣布退出環氧模塑料業務。

    化學和汽車零部件制造商KCC Corp是韓國第一家開發EMC的企業。公司在1985年開始開發KTMC,1992年商業化,是海力士、仙童半導體的供應伙伴。公司EMC產品——KTMC是一種非常高水平的環氧樹脂封裝材料,可以適用于極小的晶體管高速堆疊CPU需要高可靠性和可操作性。專門用于封裝高密度存儲設備和高壓離散設備與KCC先進配方技術,用于TSOP、FCBGA、TKMC、SOIC、QFN/PLCC、DIP封裝中。

    KCC Corp在2023年正在擴大其半導體密封材料環氧模塑料 的安城工廠生產線,以加速進軍芯片市場。新擴建工廠的 EMC 產能為 2,400 噸,加上該公司位于全羅北道全州的 8,000 噸產能,KCC已確保年產能超過 10,000 噸。安城工廠預計將主要生產用于電源、內存和系統半導體的高端 EMC 產品。

    作為高科技材料的超級供應商,信越化學不斷地提供著最尖端的技術和產品,在半導體封裝材料領域,有移動成型用環氧樹脂封裝材料——KMC系列,以及元器件保護、粘結用液狀環氧樹脂的封裝材料——SMC系列。

    KMC系列是一種單組份型液態環氧材料,是采用先進技術開發出有機硅的環氧模塑料,特別適用于底部填充應用。KMC系列具有優異的低應力和低翹曲,以及高耐熱性和高導熱性。適用于BGA、SMD、SIP等各類的尖端半導體封裝,KMC不僅為一般半導體器件,而且還為大型車載電源模塊和各種傳感器應用提供高度可靠的封裝材料。

    KMC系列部分特征?圖源:ShinEtsu Chemical

    液態環氧塑封料——SMC系列是為半導體器件的灌封材料、粘合劑和底部填充材料而開發的液態環氧封裝材料。由該封裝材料保護的半導體器件具有優異的電性能和防潮性。通過矽膠技術從低應力性來顯示其超越的耐撞擊性。此外,使用信越化學獨創技術的有機硅所帶來的低應力特性,在耐熱性方面也表現出優異的特性。

    SMC系列??圖源:ShinEtsu?Chemical

    京瓷化學擁有超30年的半導體用環氧模塑料開發和制造經驗,擁有福島郡山工廠。京瓷化學新開發的環氧樹脂和酚醛模塑料專為半導體封裝高可靠性而設計。在BGA封裝上使用的環氧樹脂塑封材料方面,京瓷具備混合超細?。?0μm以下)填充物的制備工藝,另外,在SiC、GaN等有高散熱要求的封裝產品上,京瓷也研發了有高導熱性能的環氧樹脂塑封料。

    圖源:京瓷化學

    松下電工系半導體塑封料的著名企業,2018年推出扇出晶圓級封裝 (FOWLP(*1)) 和面板級封裝 (PLP(*2)) 設計的粒狀半導體封裝材料,這些新產品將提高用于可穿戴和移動設備的尖端半導體封裝的生產率,并降低其制造成本。除了新商業化的顆粒狀環氧模塑料之外,松下還提供片狀封裝劑(適用于 200 μm 或更小的封裝厚度)以及液體封裝產品。

    中國EMC企業集錦

    華海誠科是一家專注于半導體封裝材料的國家級專精特新“小巨人”企業,公司專注于向客戶提供更有競爭力的環氧塑封料與電子膠黏劑產品,構建了可應用于傳統封裝與先進封裝的全面產品體系。應用于傳統封裝的基礎類產品和高性能類產品已量產,性能達到外資廠商水平。公司主要產品為EMG系列。

    面向先進封裝,公司研發了應用于QFN、BGA、FC、SiP 以及FOWLP/FOPLP等封裝形式的封裝材料,已陸續通過客戶驗證,有部分產品已實現小批量。華海誠科的顆粒狀環氧塑封料(GMC)可以用于HBM的封裝,相關產品已通過客戶驗證,現處于送樣階段,未來有望逐步實現產業化。公司已與長電科技、通富微電、華天科技、氣派科技、銀河微電、揚杰科技等業內領先及主要企業建立了穩固的合作伙伴關系。

    2023年4月華海誠科成功登陸科創板,成為國內第一家上市的環氧塑封企業,IPO募資6.33億元擬用于投資“高密度集成電路和系統級模塊封裝用環氧塑封料項目”、研發中心提升項目及補充流動資金。其中高密度集成電路和系統級模塊封裝用環氧塑封料項目總投資2億元,建成后將有效擴大公司高性能類與先進封裝類環氧塑封料的生產能力,可形成年產1.1萬噸環氧塑封料的生產能力。

    國際貿易摩擦加劇的趨勢下,當前正是國產EMC發展的黃金時代。華海誠科正在推進科技成果產業化、完善與豐富產品布局,有望率先實現先進封裝用關鍵核心的EMC,進一步提升國內企業的競爭能力與市場份額。

    中科科化新材料公司是專業從事半導體封裝材料研發、生產和銷售的高新技術企業。發源于中國科學院化學研究所,是國內最早從事環氧塑封料生產和銷售的內資企業。承擔國家“七五”、“八五“、“九五”重點科技攻關項目取得突破?!笆晃濉逼陂g獨立承擔了國家02科技重大專項子課題;公司產品主要產品是KHG系列,從集成電路和功率器件封裝都有相應的環氧塑封材料解決方案。在IC封裝用EMC(QFNDFNBGA等)有成本低、高可靠優勢;特殊用EMC有高Tg、超高導熱和模組封裝用環氧塑封料,部分產品已通過驗證。

    公司針對先進封裝、汽車電子第三代半導體封裝市場,規劃了到2025塑封料產品開發路線圖:在先進封裝領域,推出BGA/LGA用EMC、FC-CSP/SIP封裝用CUF和MUF型EMC、PLP/WLP封裝用EMC Granule;針對工業級/汽車級器件/IC封裝用高可靠的EMC;針對第三代半導體封裝需求,開發高Tg EMC。

    2022年,公司引入戰投,戰略融資3.1億元并完成股改,成立江蘇中科科化新材料股份有限公司。同時面向高端應用,啟動二期環氧塑封料項目建設,項目總投資超過5億元,廠房等基礎設施一步到位,3~5年內陸續建成投產12條生產線,環氧塑封料年產能將超過3萬噸、年產值超過10億元,能滿足先進封裝、車規等高端應用的環氧塑封料生產需求。新項目建設擔負著公司未來十年的發展重任,也肩負著今后數年國產材料替代的換擋要務。

    衡所華威電子有限公司(原漢高華威)是一家從事半導體及集成電路封裝材料研發、生產、銷售和技術服務的企業。公司1983年開始涉足環氧塑封料業務,公司2021年全資收購韓國ESMO Materials并將其更名為Hysolem,韓國子公司主要產品包括用于半導體封裝的黑色環氧塑封料?,F有生產線12條,擁有Hysol品牌及KL、GR、MG系列等一百多個型號的產品。擁有環氧塑封料產品涵蓋從低端(如橋塊等)到高端(如BGA,MUF等)全系列產品的核心技術。

    IC引線框架用EMC 圖源:衡所華威

    先進封裝新產品方面,公司GR7XX系列產品是為滿足高可靠性需求自主研發的中高端模塑料產品;GR60/GR60PT系列產品是為滿足智能功率模塊封裝和可靠性需求開發的中高端系列產品;GR9XX系列產品是為滿足QFN、BGA等封裝需求自主研發的高端模塑料產品。GR900系列目前已經通過國內外多家公司考核進入小批量生產階段。目前開發出硅粉粒徑為20微米以下的新型高流動性MUF系列產品,即將進入示范應用階段。

    飛凱材料致力于為高科技制造提供優質材料,并努力實現新材料的自主可控。自2002年成立以來,飛凱材料始終專注于材料行業的創新與突破。在芯片級封裝領域采用多元化的發展策略,先后收并購了臺灣大瑞及昆山興凱兩家行業知名企業,完成對焊錫球及EMC環氧塑封料的布局——尤其飛凱材料的Ultra Low Alpha Mircoball產品,其最小制程工藝僅有50微米,填補國內空白,并已形成產業化。

    飛凱材料環氧塑封料主要應用在功率分立器件、集成電路表面貼裝和基板類封裝產品。中高端封裝環氧塑封料逐步由傳統表面貼裝IC SOP/SSOP、DFN、QFP產品向先進基板類封裝BGA、FC、QFN、MUF轉型。具有低翹曲、低吸水率、高可靠性的特點,能夠通過高MSL等級,且為不含溴、銻等環保性EMC。公司正在強化相關的研發投入,積極推進高端EMC封裝材料的研發布局和產品升級,不斷拓寬產品領域。

    德高化成的目標是成為國際領先的材料公司,公司環氧樹脂在半導體及功率器件封裝高端 EMC 國產替代產品開發方面的進展有:面向車規要求的 PWIC和 MCU/SoC 微處理器應用所開發的高 MSL等級+高可靠性的 EMC,在滿足 MSL1 濕敏等級的前提下,實現 b-HAST、HTRB、HTGB 等高可靠性要求,已經通過數家顧客驗證;面向 DFN、QFN、LQFP 等薄型封裝的高MSL1~2考核等級EMCGT-700系列,本年度取得多家用戶驗證通過并導入量產。用于NAND、SiP 及薄型 BGA等高階 IC 封裝的環氧樹脂 EMCGT-310 持續批量交付。

    道宜半導體是一家電子封裝用環氧塑封料的研發、制造、銷售和技術服務企業。在先進封裝中有BGA/LGA/SD用的DYG800系列;MUF封裝用的DYG900系列;SIP用DYG1000系列。新品研發上,DYG550系列高Tg(250℃)環氧模塑封料(EMC)現已通過國際權威第三方認證機構SGS 的CTI測試,其結果>600V,能極大提高了碳化硅模塊的穩定性。公司總投資約2.5億元臨港工廠建有設備先進的環氧塑封料中試線1條、在建大生產線3條,達產后總產能約8000噸/年,主要用于生產中高端環氧塑封料產品。

    浙江恒耀電子材料有限公司是浙江省科技型中小企業,主要產品HY-E系列、環保HY-EG系列環氧模塑料(EPOXY MOLDING COMPOUND),產品有六大系列上百個品種,用到集成電路DIP、SOP、QFP、BGA等型式封裝中。

    江蘇中鵬新材料股份有限公司是集科研、生產和銷售為一體的電子封裝材料生產企業,是國內最大的中資環氧模塑料研發和生產基地之一。產品主要應用于Doid、TO、DIP、SOT、SSOP、LQFP、DFN、QFN、BGA等半導體分立器件、功率器件、特種器件、大規模和超大規模集成電路的一級封裝。

    北京中新泰合電子材料科技有限公司是一家環氧模塑料研發、生產與銷售為一體的國家高新技術企業,公司產品齊全,包含光電材料用TH-3000系列、分立器件封裝用TH-100/200系列、SOT封裝用TH-300/400系列、SOP封裝TH-G500系列、QFN/QFP封裝用TH-G800系列。

    無錫創達新材料股份有限公司主要研發生產高性能熱固性復合材料,擁有國際上先進的日本栗本鐵公所生產的電子級環氧模塑料專用混煉擠出流水線3條及多條熱固性模塑料生產線。江蘇晶科電子材料有限公司是一家股份制高科技企業,是專業生產環氧模塑料制造商,主要產品JKE系列、JKE-G系列環氧模塑料。

    凱華材料為電子級環氧樹脂復合材料產品生產商,處在電子級環氧樹脂復合材料行業產業鏈中游,主營產品為環氧粉末包封料、環氧塑封料以及其他產品。2022年底凱華材料北交所成功上市,發行擬募集資金,用于新建項目可實現年產3000噸環氧粉末包封料和2000噸環氧塑封料的生產能力。

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