發(fā)展飽受缺芯困擾 國產(chǎn)芯片高端替代迫在眉睫

一直以來我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展都飽受 “缺芯”困擾，在高端芯片領(lǐng)域尤為突出。近幾年我國芯片進(jìn)口額依然年年攀升，2020 年中國各類芯片總額高到 3800 億美元，國產(chǎn)芯片的高端替代迫在眉睫。

國內(nèi)在芯片制造環(huán)節(jié)的短板引發(fā)了廣泛關(guān)注，但在關(guān)注度不高的封測環(huán)節(jié)，已經(jīng)全球領(lǐng)先。

根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院 2020 年第三季度全球十大封測業(yè)營收排名，中國大陸有三家封測廠位列其中，江蘇長電、通富微電和天水華天分別位列全球第 3、第 6、第 7。

那么 “大陸芯”封測環(huán)節(jié)的成功是否能夠被復(fù)制在芯片生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)?封測優(yōu)勢能為實(shí)力偏弱的先進(jìn)芯片制造工藝補(bǔ)位嗎?

大陸封測 “四巨頭”，并購獲得先進(jìn)封裝技術(shù)

按照芯片的生產(chǎn)流程，封裝測試位于芯片設(shè)計和制造之后，它通過各種方式為芯片裸片裝上一個外殼，發(fā)揮密封和保護(hù)作用，更為重要的是能夠連接芯片內(nèi)部世界與外部電路，搭建起溝通橋梁。

“封裝主要有兩大功能，第一是通過某種精細(xì)的方式導(dǎo)出芯片上的電信號，第二是通過某種方式保護(hù)芯片裸片，同時不影響其散熱性能，因此封測行業(yè)的發(fā)展路徑比較清晰，芯片需要做小，引線結(jié)構(gòu)需要改變。”劉宏鈞解釋道。

一般而言，芯片面積與封裝面積之比越接近 1，封裝效率就越高，也代表封裝技術(shù)更先進(jìn)。因此，芯片封裝經(jīng)歷了引腳連接(DIP)、引線連接(QFP)、表面貼裝(PAG)、焊球封裝(BAG)等發(fā)展階段，如今進(jìn)入 3D 封裝時代。

在 3D 封裝中，晶圓級封裝(WLP)在高端應(yīng)用中經(jīng)常被使用，系統(tǒng)級封裝(SIP)尚未大規(guī)模普及。

大陸封測廠通過前期追趕傳統(tǒng)封裝以及行業(yè)前瞻性，如今在先進(jìn)封裝取得不少進(jìn)展。“以前大陸封測廠倒裝技術(shù)、晶圓級封裝技術(shù)都比較落后，最近幾年先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展很快，能夠滿足絕大部分用戶的產(chǎn)品需求，特別是長電、華天和通富的晶圓級封裝、倒裝型封裝都有很大的進(jìn)步。”廈門大學(xué)特聘教授于大全博士向本網(wǎng)表示。

據(jù)了解，長電科技擁有 WLP、2.5D/3D 封裝技術(shù)，還擁有 SIP 封裝、高性能的 Flip Chip 和引線互聯(lián)封裝技術(shù)，華天科技芯片封裝產(chǎn)品豐富，自主研發(fā)出 FC、Bumping、MEMS、MCM(MCP)、WLP、SiP、TSV、Fan-Out 等多項(xiàng)集成電路先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)品，通富微同樣是兼具傳統(tǒng)封測和部分先進(jìn)封測技術(shù)，晶方科技側(cè)重影像傳感器的晶圓級封裝技術(shù)，且其 CMOS 影像傳感器晶圓級封裝技術(shù)位于世界前沿。

不過，在大陸封測廠已有的先進(jìn)封裝技術(shù)中，有很大一部分是從國外引進(jìn)或通過并購獲得的，缺乏自主研發(fā)的變革性技術(shù)。

晶方科技副總經(jīng)理劉宏鈞告訴本網(wǎng)，CMOS 影像傳感器晶圓級封裝技術(shù)(WLCSP)是晶方科技在 2005 年成立時從以色列引進(jìn)的新技術(shù)，之前傳感器的封裝大部分采用類似組裝的方式而不是先進(jìn)封裝，因此這一技術(shù)是在中國大陸乃至全世界都是比較先進(jìn)的技術(shù)。

晶方科技之所以會引入這一先進(jìn)封裝，是基于整個行業(yè)對封裝未來發(fā)展方向的共識。

長電科技也在 2015 年初通過并購在全球半導(dǎo)體行業(yè)排名第四的星科金朋，以此來獲得高壁壘的封測核心技術(shù)。

本網(wǎng) (公眾號：本網(wǎng))了解到，如今已成為長電科技子公司的星科金朋主要負(fù)責(zé)高端產(chǎn)品線，擁有倒裝(FC)和系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)，以及世界一流的晶圓級封裝服務(wù)。

值得注意的是，即使是大陸封測廠可以通過并購獲得先進(jìn)封裝技術(shù)，也與臺積電的先進(jìn)封裝技術(shù)存在一定的差距。“長電科技的先進(jìn)封裝，比如圓片級扇入、扇出型技術(shù)，目前可以用在很多主流產(chǎn)品上。但與臺積電用在蘋果處理器上的三維扇出型技術(shù)(InFO)、用于高性能計算的 2.5D 集成技術(shù)(CoWoS)相比，目前大陸的封測廠技術(shù)上還有較大差距。”于大全說。

華封科技聯(lián)合創(chuàng)始人王宏波也告訴本網(wǎng)，中國大陸封測廠與中國臺灣的封測廠存在代差。華封科技是半導(dǎo)體領(lǐng)域近期顯露頭角的 “黑馬”，七年時間躋身全球先進(jìn)封裝設(shè)備供應(yīng)商前三強(qiáng)，主要為半導(dǎo)體先進(jìn)封裝提供貼片機(jī)、晶圓級封裝機(jī)等設(shè)備。

“中國臺灣的先進(jìn)封裝發(fā)展得更快，所以我們前兩年的精力和客戶主要是在臺灣，不過從去年開始大陸的先進(jìn)封裝也在往前推進(jìn)了，我們的北京分公司基本從去年開始運(yùn)轉(zhuǎn)并開始有市場拓展，如今通富微已經(jīng)開始批量采購我們的設(shè)備，另外，大陸其他封測公司也在陸續(xù)與我們接洽”。王宏波表示。

可控性強(qiáng)，大陸先進(jìn)封裝比先進(jìn)制程更具后發(fā)優(yōu)勢

“大陸封測廠突破性的技術(shù)雖然不是很多，但在改進(jìn)型技術(shù)方面表現(xiàn)良好，包括傳統(tǒng)封裝中的 QFP 技術(shù)，以及比較先進(jìn)的 SiP 方面的嘗試，都有在原有的基礎(chǔ)上提高效率、降低成本，拓寬原有的邊界。”劉宏鈞表示。

劉宏鈞還認(rèn)為，大陸封測廠體量已經(jīng)較大，等到體量規(guī)模到達(dá)一定程度后，還會在變革性技術(shù)方面做進(jìn)一步嘗試。

這也是為什么大陸封測廠即使在先進(jìn)封裝方面與臺積電等廠商存在一定的差距，市場排名也能夠擠進(jìn)前十的原因。此外，歷史宏觀條件和大陸封測廠 “硬件”需求的發(fā)展情況，也推動了大陸封測廠的發(fā)展。

劉宏鈞從歷史宏觀的角度分析了大陸封測成績突出原因，他認(rèn)為可以將其概括為 “天時地利人和”。“天時”是指大陸封測廠發(fā)展之時恰逢產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移;“地利”是指亞太地區(qū)在過去二十年都是電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的聚集度，中國正好處于聚集地的中心位置，同時也是電子產(chǎn)品的消費(fèi)中心;“人和”是指大陸不缺封測行業(yè)所需人力資源以及國家推出一系列產(chǎn)業(yè)政策助力。

半導(dǎo)體封測材料公司廣州先藝的工程師王捷補(bǔ)充了另外兩個原因，“一方面封測行業(yè)的門檻低于半導(dǎo)體制造，相應(yīng)地也更容易實(shí)現(xiàn)突破，見到成效;另一方面國內(nèi)封測行業(yè)有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和一定的技術(shù)積累，同時能充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈的成本優(yōu)勢。”

另外，在芯片封測所需的材料和設(shè)備方面，雖然在高端領(lǐng)域與國際水平存在一定的差距，但相比芯片設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，有更高的可控性。

于大全認(rèn)為，大陸封測廠在推動國產(chǎn)裝備和材料應(yīng)用方面表現(xiàn)良好。設(shè)備方面，減薄、劃片、引線鍵合、圓片塑封等與國外還有一定差距，但晶圓級封裝所需要用到的光刻機(jī)、電鍍機(jī)、涂膠顯影的等設(shè)備在國內(nèi)的發(fā)展勢頭良好，已經(jīng)逐步取代國外設(shè)備。材料方面，先進(jìn)光刻膠、聚酰亞胺、底部填充膠、高端塑封料等還不能滿足量產(chǎn)需求，部分低端光刻膠、電鍍液、臨時鍵合膠等材料已經(jīng)開始應(yīng)用。“整體看來，封裝技術(shù)、裝備材料進(jìn)步都很明顯，在逐步實(shí)現(xiàn)自主化。”

芯片制造與芯片封測所需設(shè)備的可控性，也可以從兩者都需要用到的光刻機(jī)這一設(shè)備上得以體現(xiàn)。

根據(jù)王宏波的介紹，2.5D 或 3D 封裝過程中，會有一層用于連接功能的硅片，需要用到光刻機(jī)將一些邏輯芯片放在這一硅片上，但只是用來完成一些簡單的連接，因此只需要達(dá)到微米級的精度，目前這一精度需求的光刻機(jī)我國已經(jīng)能夠自主生產(chǎn)。

封測材料方面，王捷說：“如果是一款全新的先進(jìn)封裝材料，開發(fā)出來的驗(yàn)證周期長，需要做大量工作，基本是國際大公司在做，國內(nèi)公司開發(fā)新材料的實(shí)力不算很強(qiáng)，但在進(jìn)口替代方面，大部分中低端材料國內(nèi)都有一些生產(chǎn)鏈，例如光電封裝需要用到的載板，基本被國外壟斷，國內(nèi)雖然有一定的進(jìn)展，但所占份額小，品質(zhì)存在一定差距。”

“再比如用量較大的焊料產(chǎn)品，國內(nèi)很多廠商都在做，低端產(chǎn)品已基本能夠滿足自產(chǎn)自銷，高端產(chǎn)品主要依靠國外進(jìn)口。”王捷補(bǔ)充道。

另外，一位材料專家曾介紹，光刻膠這樣的化工產(chǎn)品有許多配方，關(guān)鍵是配方要一個個去試，只要花時間、人力和投入資源，是可以做出來的，并非無法克服。

由此可以看到，在材料、設(shè)備等硬件條件方面，大陸芯片封測廠發(fā)展先進(jìn)封裝比大陸芯片設(shè)計廠或晶圓廠發(fā)展先進(jìn)的工藝制程具有天然的低門檻優(yōu)勢，而這一優(yōu)勢也使得大陸封測廠在設(shè)備和材料的驗(yàn)證方面有更大的空間，因此形成 “優(yōu)勢富集效應(yīng)”。

“大陸封裝廠愿意也有能力去嘗試研發(fā)一些新技術(shù)、新產(chǎn)品，具有一定的創(chuàng)新精神和推動全行業(yè)發(fā)展的思想，這是因?yàn)榇箨懛鉁y廠目前的體量足夠大，有能力去支持裝備和材料的發(fā)展。”

“封測有聯(lián)盟組織上的優(yōu)勢，國家科技重大專項(xiàng) 02 專項(xiàng)以前也有組織過幾次對設(shè)備和材料應(yīng)用的驗(yàn)證工程，對整個行業(yè)都有很大的促進(jìn)作用。”于大全說。

相比較而言，國內(nèi)芯片制造由于本身的制程落后，處于追趕階段，可創(chuàng)新空間小，很難大規(guī)模推動國產(chǎn)裝備和材料做出驗(yàn)證。目前中美關(guān)系緊張，迫使國內(nèi)制造企業(yè)加速了國產(chǎn)裝備和材料的國產(chǎn)化進(jìn)程。

那么，大陸先進(jìn)封裝的優(yōu)勢該如何轉(zhuǎn)化到先進(jìn)工藝制程上?

制造與封裝融合成趨勢，先進(jìn)制程 “瓶頸”封裝來破

發(fā)揮大陸芯封測環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，必然不是生搬硬套封測環(huán)節(jié)的成功經(jīng)驗(yàn)。

“如果打一個通俗易懂的比方來形容芯片設(shè)計、制造和封測，它們有點(diǎn)像一部高質(zhì)量的電影需要演技精湛的演員、技藝高超的化妝師和優(yōu)秀的導(dǎo)演、編劇和劇本。”劉宏鈞說。

本網(wǎng)此前文章《5nm 芯片集體 “翻車”，先進(jìn)制程的尷尬》指出：無論是芯片設(shè)計廠商還是制造廠商，遵循摩爾定律發(fā)展到 5nm 及以下的先進(jìn)制程，除了需要打破技術(shù)上的瓶頸，還需要有巨大的資本作為支撐，熬過研發(fā)周期和測試周期，為市場提供功耗和性能均有改善的芯片最終進(jìn)入回報期。

單純依靠芯片設(shè)計制造工藝提升來推進(jìn)先進(jìn)制程可能無法延續(xù)摩爾定律，或許可以嘗試用先進(jìn)封裝技術(shù)解決芯片設(shè)計與制造所面臨的瓶頸。

如果依然用演員、編劇打比方，也就意味著雙方最終的目的都是為創(chuàng)作一部精彩的電影，演員雖然無法改變整體劇情，但可以在具體的場景中設(shè)計一些細(xì)節(jié)為電影加分。

在 Semicon China 2021 上，中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明在演講中提到，芯片制造與芯片封裝相結(jié)合，也可以做到用 65nm 工藝制程實(shí)現(xiàn) 40nm 的工藝制程的性能功耗要求。

近兩年比較熱門的 Chiplet(也叫小芯片或芯粒)就是依靠芯片封裝的優(yōu)勢來彌補(bǔ)芯片設(shè)計與制造方面不足的經(jīng)典案例，“Chiplet 技術(shù)可以將一個復(fù)雜系統(tǒng)芯片轉(zhuǎn)變成好幾個小芯片進(jìn)行組合對接，形成系統(tǒng)功能，可以通過芯片集成來實(shí)現(xiàn)高性能。”于大全說道。

Chiplet 因占據(jù)面積較小且通常選擇成熟工藝進(jìn)行制造和集成，能夠有效提高良率并降低開發(fā)和驗(yàn)證成本，滿足現(xiàn)今高效能運(yùn)算處理器需求，且已經(jīng)應(yīng)用在多個領(lǐng)域。

“但 Chiplet 實(shí)現(xiàn)起來也并不簡單，需要芯片設(shè)計和制造一起協(xié)同工作才行。”于大全補(bǔ)充道。

芯片設(shè)計制造與封測之間開始融合，未來的大陸晶圓廠可能也會像臺積電一樣，進(jìn)軍先進(jìn)封裝。

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