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半导体键合线产品用作芯片与外部电路之间的电气连接引线,是半导体集成电路、分立器件、传感器和光电子器件等传统封装工艺中必不可少的核心基础原材料。
本研究报告从集成电路、半导体分立器件、功率半导体和光电器件这四大主要封装应用角度,对2019年半导体键合线行业的发展和未来前景进行了研究和前瞻性分析。
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国内键合线现状1
1. 包装和测试市场的现状
根据美国半导体行业协会(SIA)发布的数据,2019年全球半导体销售额为100亿美元,较2018年下降约12.1%,创下多年来的首次下滑。然而,与全球半导体市场的下滑趋势相比,作为世界第一梯队的中国大陆半导体封装测试市场却逆势增长。据中国半导体行业协会封装分会统计,2019年国内集成电路封装测试行业增速放缓,销售收入从2018年的196.56亿元人民币增至206.73亿元人民币,同比增长5.2%。其中,中国半导体封装材料市场规模达到35.986亿元人民币,同比增长8.8%。
2. 键合线市场需求
作为半导体封装测试材料的核心组成部分,从全球市场角度来看,键合线行业不可避免地受到全球半导体市场整体增速放缓的影响。然而,在中国大陆市场,由于半导体封装测试行业,特别是LED封装市场规模的扩大,键合线的需求依然保持强劲增长。2019年,中国国内半导体封装键合线总需求量达17.4亿米,较2018年增长6.7%。
1. 国内对集成电路键合线的需求
根据相关行业组织发布的数据和从国内制造商收集的不完全统计数据,2019年中国集成电路封装数量达到160亿个,键合线总需求量约为8.5亿米。
2. 国内半导体分立器件键合线需求情况
2019年,中国封装半导体分立器件数量达806.8亿颗,键合线总需求量为2亿米。由于高铁和能源汽车的快速发展,对大功率器件的需求迅速增长。虽然其规模不及小功率器件,但也对键合线本身的增长产生了一定的影响。
3. 对LED封装连接线的需求
LED等光电器件的封装规模正在迅速扩大。2019年,中国国产封装的LED灯珠、特种照明模组、光通信模组、红外收发器、紫外LED、MiniLED等新兴光电器件总量达2.6万亿颗,对键合线的需求量为6.8亿米。
3. 中国键合线行业的分布及特点
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生产地理分布特征
中国是全球半导体键合线产品的主要生产国之一。无论是国外品牌还是国内品牌,都有超过20家不同规模的专业键合线生产企业。由于键合线是半导体封装的核心材料,产品种类繁多,应用场景复杂,对质量要求高,产品制造也存在一定的技术壁垒和工艺难度。国内从事全系列键合线生产制造的企业并不多,产品相对单一或低端,生产区域分布也较为分散,区域特色不明显。相比之下,从企业规模、发展历史和市场辐射能力来看,国外品牌厂商仍然占据着大部分市场份额。山东是中国键合线行业最具影响力的主要生产基地,拥有国内几家最大的传统键合线生产企业,如烟台亿诺、贺利氏、招金利福等,满足了全国30%以上的市场需求。其中,烟台亿诺电子是一家拥有自主研发能力的国家级企业,也是国内纯投资品牌企业中产能最大的企业。由于半导体封装产业集中在江苏、浙江和上海,近年来键合线产业也发展迅速,成为继山东之后中国又一个主要的键合线生产基地。传统的键合线生产商包括:MKE、田中、日本等,主要加工国外品牌的半成品。近年来,一些新兴的国内生产商也逐渐涌现,例如江苏金灿电子科技有限公司。此外,华北、华南和西南地区也有一些生产商,例如广州嘉博电子、广东骏马科技、深圳优福电子(四川维纳)等,这些生产商规模相对较小或产品类型较为单一。
2 市场需求分布
目前,键合线市场需求主要集中在长三角、珠三角和环渤海地区。近年来,西南和西北地区半导体封装产业也经历了快速的调整和升级,逐渐成为键合线的重要需求区域。国内封装测试企业已从传统的集中于长三角、珠三角、京津冀和渤海湾地区的格局扩展到中西部地区,形成了四足鼎立的局面。中西部地区,特别是西安、武汉、成都、重庆等地,已将集成电路产业视为战略发展重点,封装产业也取得了显著发展。
长三角地区主要集中在半导体集成电路封装领域。该地区聚集了众多世界一流的国际半导体集成电路封装制造商(如昌电科技、通福微电子、日月光、安靠、硅精密、UTAC等)。它是中国最大的键合线应用市场,占国内键合线总需求的70%以上。近年来,浙江和苏北地区的LED封装产业也迅速发展,对键合线的需求进一步增长。
江西、广东珠江三角洲和福建是中国LED封装产业的主要产区。这里聚集了众多世界级的LED封装制造厂(如木林森、国星光电、宏力、长坊、聚飞、瑞峰、天电等),其封装规模甚至接近一些大型IC封装厂。全国共有超过1,000家大大小小的LED封装厂。此外,华南地区还拥有众多国内知名的集成电路封装企业(如赛发、七派科技、富曼集团、佛山蓝箭等)以及众多半导体分立器件封装企业。键合线的需求量仅次于华东地区,是华南地区第二大市场。
西北和西南地区由国内三大集成电路封装测试企业之一的天水华天科技领衔。近年来,重庆、四川等地也加快了半导体产业的战略布局。半导体封装市场快速增长,对键合线的需求也日益增加。
此外,京津渤海地区也是大规模集成电路封装和知名光电器件封装的集中市场(北京威信半导体、天津飞思卡尔、英特尔、天津威世半导体、大连奥克、北京亿美新光……)。
3个产品类别
从基础材料来看,目前市场上广泛使用的键合线产品主要有四大类:键合金线、键合铜线、键合银线和键合铝线。从合金成分和复合结构来看,主要有纯金线、金银合金线(业内又称高金线)、银合金线、纯铜线、铜合金线、镀钯铜线、金钯铜线(多层金属镀层)、镀金银线、纯铝线、硅铝线等。不同类型的键合线产品性能各异,且在不同的包装领域对批量使用也有不同的要求。
由于其独特的金属化学稳定性以及高效的工艺应用优势,金丝键合仍占据高端市场。目前,它主要应用于高端集成电路产品、军用器件模块、LED大功率照明产品、LED电视手机背光产品、光通信模块、红外收发管以及摄像头模块等产品。2019年,金丝键合在越来越多的市场应用中被低成本的铜丝系列和银丝系列产品所取代,其市场份额已从原先的50%下降至33%。
多年前,键合铜线产品已完全取代半导体分立器件封装中的键合线产品,并逐渐成为通用集成电路封装的主流。用于LED显示屏的RGB产品也开始流行起来。2019年的最新统计数据显示,铜线系列产品的市场份额已占整个键合线市场的近25%。
作为铜线产品的衍生品,镀钯铜线系列产品凭借其更高的耐腐蚀性和优异的二次焊接性能,已逐渐成为主流的键合线。随着技术的成熟,其在集成电路和LED封装产品中的份额不断增长,最新统计数据显示已超过29%。未来,随着技术的进一步成熟,行业对成本降低的需求日益增长,以及LED封装产品应用的日益普及,键合铜线和镀钯铜线的份额还将继续扩大。
由于其良好的键合性能和成本优势,键合银线(银合金线)在各种LED光源器件产品和一些小型扁平IC封装产品中的应用正在迅速发展。随着技术的成熟和产品应用工艺的不断优化,其市场应用将越来越广泛,尤其是在低功率LED光源器件产品领域,将逐渐占据主导地位。2019年,键合银线的市场份额约为10%以上。
键合铝线系列分为纯铝线和硅铝线两大类。它主要应用于功率半导体器件(IGBT、MOSFET、UPS、功率三极管)、LED数码管产品和COB表面光源。随着轨道交通、高铁供电、航空航天和船舶制造等行业的蓬勃发展,以及船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电和电动汽车等强电流控制行业的兴起,作为功率器件第三次技术革命代表产品的IGBT产品得到了广泛应用。2019年,纯铝线市场规模仍将保持高速增长势头。硅铝线产品除了应用于传统数码管产品和部分软封装集成电路外,近两年来随着电动汽车行业的快速发展,也得到了广泛应用。全数字显示汽车仪表组件也成为硅铝线产品新的市场应用方向。此外,近年来,由于其良好的粘合性能和高耐湿性,粘合铝线在存储卡产品中的应用也日益广泛。近年来,一种性能更优的新型铝带产品开始在一些高端产品中得到广泛应用,成为传统铝线产品的有力替代品。
4 中国主要键合线生产商的数据分析(按不同类型键合线分类)
5. 提高技术创新能力
目前,国内键合线生产商已突破瓶颈,在低成本键合线(包括铜线和镀银钯铜线)的创新和改进方面处于世界领先地位。尤其是在高可靠性铜合金线和银合金线产品方面,他们已成为行业领导者。在这方面,烟台亿诺电子在国内同行中处于领先地位。其他国内键合线生产商也开始加大对低成本新型键合线创新和改进的投入,并扩大市场。
6市场分析
作为核心原材料,键合线与半导体封装行业的发展息息相关。2019年,中美贸易摩擦对全球经济,尤其是半导体行业造成了巨大冲击。半导体封装市场长期处于经济低迷环境,整体增速放缓。截至去年底,由于集成电路封装市场尚处于缓冲期,贸易摩擦的直接影响尚未显现,但LED封装市场却受到了中美贸易摩擦的严重影响。尽管键合线市场仍保持增长,但实际市场需求远低于预期。此外,铜线、银线等低成本键合线产品逐渐取代金线产品,导致供应量增加,但实际销量却大幅下降。这也是半导体封装材料成本降低的必然趋势。
此外,在某些领域,无需焊丝键合的先进封装技术正逐渐取代传统的焊丝焊接封装工艺,这势必会在未来一定程度上压缩焊丝行业的市场规模。这也是所有焊丝从业者都必须面对的市场增长压力,但可以预见的是,这种情况在短期内不会产生太大影响。
7问题
由于产品的特殊性,键合线行业的扩张和发展空间有限,其发展更多地依赖于上游封装行业的支撑,因此生存风险相对较高。基于全面的市场调研和从业人员的反馈,整个键合线行业存在以下问题:
虽然粘合铜线和粘合银线产品具有成本低廉的优势,但它们的性能仍需进一步突破和改进。
国内大多数焊线生产企业不重视产品研发,甚至缺乏产品研发能力,习惯于摸着石头过河,强行推销不成熟的产品。结果,包装客户往往对国产品牌焊线失去信心,这不利于企业的可持续发展。
市场竞争无序和产品价格不合理阻碍了企业的健康发展。
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发展趋势与前景
全球半导体产业正处于转型期。摩尔定律逐渐失效,成本不断攀升,促使业界依靠集成电路封装技术来突破摩尔定律的瓶颈,实现利润增长。因此,在对更高集成度的广泛需求、摩尔定律放缓以及交通运输、5G、消费电子、存储和计算、物联网(包括工业物联网)、人工智能(AI)和高性能计算(HPC)等大趋势的推动下,封装工艺将向更加复杂和尖端的标准迈进。器件封装的小型化、复杂性和集成度将成为发展趋势。为了适应电子产品向小型化、轻薄化、智能化和高可靠性方向发展,新的半导体封装技术不断涌现。新技术对键合线提出了更高的要求,促使新型键合材料的研发,进而推动封装技术的进步。二者相辅相成,共同推动半导体封装产业的发展。
1 产品开发趋势
低成本:随着电子数字产品全面进入低利润时代,作为上游供应链的半导体封装测试行业面临着更大的成本压力,选择低成本的键合线产品已成为必然之选。
高可靠性:虽然键合铜线和键合银线产品解决了成本问题,但铜和银金属材料耐腐蚀性差、金属间化合物(IMC)生成快等缺点在产品应用中不可避免地凸显出来。因此,生产和开发低成本、高可靠性的产品是键合线企业努力的方向。
高可加工性:同样出于降低成本的考虑,包装企业对键合线产品的键合效率提出了越来越高的要求。提高键合线产品的可加工性已成为制造企业重要的研发课题。
超细线径和高强度:随着芯片尺寸越来越小,终端产品越来越薄、越来越轻,工作频率越来越高,超细线径键合线产品的应用得到了大力推广;键合线间距越来越小,要求键合线具有更好的键合力和电弧形成能力;再加上多芯片堆叠封装产品的不断普及和发展,为了满足短电弧长度电弧的工作要求,键合线需要具有更高的强度。
绿色环保:确保产品的绿色环保必须是焊丝产品必须努力实现的目标。
2. 主流产品技术研发方向
1. 键合金丝产品的研究与开发方向
细间距、细线径、短电弧长度、高强度、耐高温和合金化:随着集成电路和分立器件向多引脚封装、高集成度和小型化方向发展,金线键合需要更小的间距和更长的键合距离,对热影响区的要求也更加严格。研发具有超细线径、超高强度、耐高温、短电弧长度和更佳电弧形成性能的产品,仍然是金线键合产品亟待突破的方向。此外,为了降低成本,通过合金化方法生产性能与纯金线相近的金合金线产品,也是金线产品研发的方向之一。
2. 键合铜线和镀钯铜线的研究与开发方向
抗氧化性、合金化和延展性:铜丝易氧化和硬度过高的缺陷一直是制约其应用的最大障碍。提高铜基材料的抗氧化性、降低硬度、提高韧性、优化二次焊接性能是粘接铜丝产品需要进一步改进的方向。解决镀钯铜丝焊点的焊接性能问题,提高焊球质量和表面钯层的均匀附着力,将是企业需要进一步突破和改进的方向。
3. 银线键合产品开发方向
低合金化、高可靠性、抗硫化、抗疲劳、增强韧性:由于降低成本和提高导电性的要求,低合金化是银线键合的发展趋势。如何在低合金化的基础上保证良好的机械性能,提高可靠性、抗硫化性和抗疲劳性,并最大限度地提高产品韧性,是未来企业研发的方向。
4. 粘结铝线的产品开发方向
提高可靠性、新型铝带产品需求、新产品应用需求:键合铝线的应用范围相对狭窄,对产品创新的需求也相对较低,但同时也面临着一些新的挑战:为了提高产品可靠性,现有厂商要求键合线在回拉时不会脱焊;许多芯片工艺需要超软铝线,以避免键合对敏感焊接区域或脆弱芯片造成损伤;铝带产品的应用越来越普遍;电动汽车电池需要粗铝线键合技术,IGBT产品也极为流行。所有这些都需要不断创新和开发键合铝线产品,以提高其耐腐蚀性和焊接可靠性,以适应市场发展。
3 市场展望
受中美贸易摩擦和新冠肺炎疫情大环境的影响,2020年半导体经济的下行趋势将更加明显。然而,随着国家应对战略的进一步实施,半导体行业必将面临压力与机遇并存的局面,而键合线行业也必将在机遇与挑战中寻求发展与进步。
4结论
无论市场如何变化,坚持自主创新、夯实基础、积蓄力量、稳步前进,才是国家半导体产业健康发展的唯一正确途径。作为整个半导体产业链的重要组成部分,键合线产业也必须与时俱进,抓住机遇,力争实现新的飞跃。
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