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中国先进封测产业与装备“群体崛起”,绕不开中国的重要保障 | 老兵戴辉

来源:爱集微

#老兵戴辉#

04-09 18:53

1958年,在德州仪器(Texas Instruments,TI)就职的杰克·基尔比(Jack S. Kilby)以锗(Ge)衬底,将几个晶体管、电阻、电容连接在一起,成功研制出世界上第一块集成电路。随后,罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)发明了基于硅(Si)的集成电路,当今半导体大多数应用的就是基于硅的集成电路(所谓第一代半导体)。芯片成为了现代工业“石油”。

芯片产业刚起步时,都是IDM模式(Integrated Device Manufacturing,整合设备生产模式),INTEL和TI都是既设计又制造芯片,小企业难以染指芯片行业。

出自TI的张忠谋于1987年创建了专业晶圆代工公司(Foundry)台积电,“解耦合”开创了半导体代工时代。芯片分为设计、晶圆、封测三段,设计公司(Fabless Design,无工厂模式)可以将晶圆和封测外包出去,专注做好设计、销售和服务。

科技老兵戴辉我一直想分享一件往事,今天终于逮到机会了。早在1993年,王祥富老师率领我班在无锡实习,在流水线上手工焊电路板。每天早晚,都看到一个围墙高高戒备森严的大院,大牌子上有两个大字:华晶。当时还纳闷这是干啥的。此时,908工程的5英寸3um产线正在热火朝天的建设中。

中国台湾的芯片外包封装测试产业(OSAT,Outsourced Semiconductor Assembly and Testing)就迅猛发展了起来,如日月光和矽品都成立于1984年。

无数轻资产的芯片设计企业成长起来,如鼎鼎大名的高通和英伟达等,大陆也大跨步进入代芯片设计领域。1991年,联想倪光南做出了芯片,华为徐文伟也做出了芯片(德州仪器TI代工)。国微于1993年成立,成为深圳芯片业的黄埔军校。目前中国大陆有数千家芯片设计企业(一说上万家)。

当然,重资产的IDM模式也一直存在,两种模式各有千秋。AMD是从IDM模式转型为FABLESS的成功典范,INTEL则一直坚持IDM,最近升级到IDM2.0模式,要大投先进封装,并重新进入晶圆代工市场。

封测环节则“藏在深闺”,对大众而言是陌生的。其实封装和测试可以是独立的,可在一个厂里做,也可分开在不同的厂里做。封测采用“来料加工”的商业模式,订单来源于半导体设计厂商。

传统的芯片级封装是把晶圆切割后的裸片(Die)封入一个密闭空间(外壳)内,免受外部环境、杂质和物理作用力的影响,同时引出相应的引脚(或者接脚),最后作为一个基本的元器件使用。

晶圆级芯片封装技术(Wafer Level Packaging)是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片的技术,封装后的芯片尺寸与裸片一致。

IC测试是运用各种方法,检测出不合格芯片样品,主要分为两个阶段:一是进入封装之前的晶圆测试;二是封装后的IC成品测试。目前在封装阶段也导入了视觉测试。

在SEMICON CHINA 2021(国际半导体展)中给我最直观的感受是:封装测试产业在大陆风起云涌,带动了设备与材料的群体崛起,很多门类的设备都有了国产型号,像是中科飞测、普莱信、镭明激光、矽电、悦芯、加速、宏泰、宏邦、明锐理想等众多公司的设备。目前国产设备的市场份额还很小,未来发展空间很大。

当然,在泛芯片领域(阻容感等分立元器件、LED、显示屏、太阳能多晶硅)中也采用封测技术,在本文中就不展开论述了,芯碁微装则主打在PCB和显示(FPD)等领域。

一、大陆封测产业:狂飙20

目前全球前十大半导体封测厂商主要包括有中国台湾日月光(不含矽品与环旭)、美国安靠、长电科技(大陆)、矽品(台)、力成(台)、通富微电(大陆)、华天科技(大陆)、新加坡联合测试、京元电(台)和欣邦科技(台)。大陆“三剑客”长电科技、通富微电以及华天科技名列前十。

最近两三年的半导体产业建设热潮中,大陆有数百家企业进入封装测试领域,中国大陆在全球封测产业上的整体份额越来越高了,将会超过50%,连富士康都进入了封装领域。这个数字和PCB(印刷电路板)裸板与SMT(表面贴装)的中国产能占全球份额差不多。中国大陆的SMT产线多于3万条,占全球的一半以上。曾有过一个段子:东莞一堵车,全球电子产品价格就波动。

目前普遍认为,大陆封测公司的水平已经与国际先进水平基本同步。大陆半导体第一个全面领先全球的行业,最有可能是封测业。

整机制造业所使用的芯片,有望基本都在大陆封装;在中国大陆封装的芯片,也正在大规模出口到越南/印度等新兴的整机制造(SMT为主)的市场。

换言之,如果中国大陆不发展封装产业,未来SMT产能部分迁移之后,大陆在电子供应链的核心地位会被削弱。

值得指出的是,封装设备和材料的供应链在国际上是多元化的,欧洲、美国、日本、中国台湾都积累很深。

一直以来,大陆大力发展封测产业,不仅提高了全球产能,更降低了电子产品成本,为全球老百姓谋得了福利。

中国大陆封装业的发展有如下几个关键节点。

1、2000年前后大规模进入现代封装业的,以苏南作为中心

2000年之前主要是传统封装阶段,之后先进封装迅速发展,大陆有了追赶并超越的机会。

产业发展的大逻辑是:巨大的中国电子消费市场和丰富的劳动力带动了电子整机产业。外资的芯片公司索性将芯片封测放到大陆来做,做好之后直接送到整机厂。举个例子,AMD在苏州的封装厂就与苏州工业园区的PC主板制造业密切相关。

没有整机产业的带动,芯片是做不起来的。这点对于我很重要,因为我是搞整机出身的。

大陆的先进封装产业以苏南为核心地域,天时地利人和。靠近苏州工业园区,靠近上海的ODM/IDH公司(如华勤/闻泰/龙旗等)及张江大量的芯片设计公司等。

封测三大家的通富微(1997年合资)、长电(2000年改制)、甘肃华天(2003年成立)都是基于早年的电子分立元器件厂发展起来的。

矽品于2002年底在苏州工业园区成立矽品科技(苏州)。日月光自2002年起在上海张江高科技园区投资设厂。2005年6月晶方科技在苏州成立,技术源自以色列。

2、自主设计的山寨GSM手机带来大陆芯片设计业大发展,也带动了封装产业

2000年,中国的GSM移动用户数目翻了一倍,超过了一个亿,成为全球最大的手机市场,诺基亚东莞和三星惠州的手机厂规模都很大,本土手机品牌也在起步。

2006年开始,随着全球GSM覆盖的增强(改变了3G要替代GSM的误区),自主设计的白牌GSM手机浪潮爆发。

大陆本土芯片设计产业也迎来第一次大爆发,对先进封装也有了很大的拉动。

曾在豪威工作的芯视达CEO杜峥介绍,CIS(CMOS图像传感器)对晶圆、封装、测试都有要求,需要全流程拉通来实现良好的品质。

晶方从以色列引入了封装技术,豪威还参与了投资。晶方和华天昆山厂的70%封装产能一度只为格科微的CIS一家服务。

至于测试,CIS产品也经历了一个变革。

格科微早期图像传感器的图像质量检测,要用人眼判断。随着白牌GSM手机市场的急剧放大,起家于极致性价比CIS(低至10万像素)的格科微不断扩容,在张江的场地一搬再搬,主要都是测试,坐满了青春年少的小姑娘。

图注:iPhone早期通过人工检验照相功能,图为08年的“iPhone Girl”

随着自动化和人工智能的发展,杜峥介绍,现在已经有强大的自动化设备(handler)和AI检测手段。封装企业通富微缪小勇先生介绍,与芯视达合作WLCSP工艺(晶圆级芯片尺寸封装)。将芯片尺寸封装(CSP)和晶圆级封装(WLP)融合为一体,芯片具有“短小轻薄”的特点,符合消费类电子向智能化和小型化发展的趋势。

集微网创始人老杳(王艳辉)在2007年也做过测试的小型装备,不过后来发现在媒体上更有所长,但他也一直对这个行业很关注。他说:不少芯片设计公司会自己购买/选型测试设备,放到测试产线上。

无独有偶,苹果公司在产线上也这么干。

3、2014年后,全球封装企业大整合,陆企借并购进入先进封装和获得大客户

长电收购新加坡星科金朋,通富微电收购AMD苏州和槟州封测厂,华天科技收购美国FCI、Unisem 公司,晶方科技并购智瑞达、Anteryon公司等。

人工智能大发展,AMD利润暴涨,苏妈(苏姿丰)笑得合不拢嘴,通富也跟着水涨船高。

4、深圳存储器带动存储封装快速发展

华强北是中国最早的专业电子市场,PC的内存条也是攒机市场上最火的产品之一,这也是深圳存储器起家的地方。

2014年,随着智能手机和移动互联网(微信为代表)的发展,存储的需求也大了很多,尤其是照片,我的手机128 G也不够用。2018年,全球半导体行业规模达到4767亿美元。其中,存储器作为最大半导体类别,占据了半导体市场近35%的份额。当年,大陆进口集成电路约3100亿美元,其中存储约1000亿美元。长江存储和合肥长鑫有了大陆自己的晶圆厂。

大陆品牌存储器的成长性很好。深圳一个区域内聚集了金泰克、时创意、宏芯宇、江波龙、记忆、佰维、嘉合劲威(排名不分先后)等众多优秀的存储器品牌企业,深科技(收购金士顿旗下沛顿)和康佳进入市场。这些企业纷纷进入了芯片封装和模组封装领域。

在深圳存储器需求带动下,太极半导体、长电科技、通富微电等企业也在存储封测上努力发展。

这里还有一个带动国内装备的故事。2013年,为电子制造业提供制造技术解决方案的深圳凯意科技的存储客户提出了邦定自动化检查的需求,凯意找过韩国以及日本的供应商开发相关的产品,由于量测的精度要求和软件算法难度过高,都被对方拒绝了,最后与本地的制造商深圳明锐理想合作,明锐将SMT成熟经验移植到封装环节,实现了在线连续视觉检测,2015年开始上线,在存储、传感器封装等产品上应用。

5、AIoT和电动汽车推动先进封装新高潮

SEMICON CHINA 2021展览上,可以看到,先进封装和高密度封装发展很快。

随着AIoT时代的发展,喝茶(自动加水烧水)、抽烟(电子烟)、开门(智能锁)、扫地(机器人)、居家上课(笔记本)都搭载了大量芯片。

特斯拉在临港建厂。中国启动新基建大建充电桩,电动汽车和两轮电动车产业大发展,带来了巨大的芯片需求。车规级芯片对可靠性要求很高,封装有特殊要求。

封装产业在中国迎来爆炸式上升,好多企业涌入。宁波发了把狠,新成立的甬矽电子直接定位先进封装,以狂飙猛进之势头挤入巨头之列,据说在国内的排名已经很靠前了。

二、大陆发展封测:电子业绕不开中国

以手机为核心的电子产品是中国第一大出口产品,第二大是纺织品。还记得改革开放初期,一亿条裤子换一架飞机的段子吗?

从大处上看,全球抗疫离不开电子产品;从小处看,冲凉时都拿着手机的也大有人在!

电子信息科技产品的供应链非常复杂。众多的零部件、复杂的软硬件设计和工艺需求,中国的工程师红利、制造红利体现得淋漓尽致。因此,这是和中国最难脱钩的行业,即使“去全球化”,也不能“去中国化”。

电子产品生产环节大致分为三块:晶圆、封装、整机制造(SMT表面贴装为核心)。封测上接晶圆,下接整机。

虽然在晶圆产业方面就业人数并不多,但技术要素却被西方牢牢掌握着,差距显而易见。要想彻底解决“卡脖子”,还有艰难的路程要走。值得关注的是,美国在强化晶圆制造领域,台积电/三星/INTEL/格罗方德都将在美国本土大力发展最先进制程的晶圆制造。

印度每年卖一两亿部手机,当然也要发展制造业。大陆的整机制造不可避免地会转移部分到海外(如苹果、米OV等已在印度有产能)。

因此,从战略上来看,要从上游的芯片封测领域进行加强,只有这样,中国才依然能在供应链上占据重要环节,保证整体上的“中国制造”核心地位不改变。

南京邮电大学南通封装研究院蔡志匡教授感慨道,关于封装,最近最大的感触就是“闻基色变”。如做BGA封装的产线,如果得不到足够的BGA基板产能,就不敢贸然接单。国内应该加大投入,尽快从“闻基色变”到“闻基起舞”阶段,人人有基板,户户有产能。

这次,我一进SEMICON展馆,就撞进了深南电路和天芯互联的展台,一手做封装基板,一手做先进封装。                                  

集微网文章讲述了背后的原因:封装基板严重缺货的背后:上游材料和设备成扩产瓶颈

引线框架(Lead frame) 也是重要的封装材料,产能也缺。

网传设计公司“跪求产能”一事,并非空穴来风。

三、先进封装:与晶圆和SMT相结合

1、先进封装也是高科技

在半导体行业发展前期阶段,半导体封装一直被视为是技术壁垒相对较低,人力成本较为密集的产业。封装是集成电路产业链中赚钱最难的行业,需要通过不断加大投资来赚取每一块钱上的边际增量。

随着芯片的集成度提升,对半导体封装的技术要求越来越高,这也使得半导体封装不再是一项简单的技术。各种先进封装新工艺粉墨登场,让我眼花缭乱目不暇给。

随着封装复杂度不断提升,先进封装一跃成为了生产增量的重要来源。未来芯片三段的比例可望为:3(设计):4(晶圆):3(封装)。

传统的封装是被动接受芯片设计企业的安排,目前的趋势是芯片设计厂商越来越要与封装厂商进行协同设计。在后摩尔时代,芯片后道成品制造技术将驱动芯片向高性能、高密度方向发展。

在2019集微半导体峰会上,蒋爸(蒋尚义)认为:半导体产业环境产生了巨大的变化。这主要体现在以下几个方面:一是摩尔定律的进展已接近物理极限,最先进的硅工艺(如7nm、5nm),只有极少数极大需求量产品才能用(如手机主芯片);二是封装和电路板技术进展相对落后,渐成系统性能的瓶颈;三是芯片(设计企业)多元化时代来临,市场将不再掌握在少数厂商手里。依据不同系统,针对各单元的特殊需求,选择合适的单元经由先进封装和电路板技术重新整合,将是后摩尔时代的发展趋势之一。

长电科技CEO郑力则表示:“当今时代的半导体封装不仅是把芯片封到壳里的过程,而是需要为里面的芯片做好几十个工艺,将芯片连线、互联接口做好,甚至需要对晶圆进行重组。之后,有些芯片还要与其它芯片在同一个封装体里进行布局和互联,有时还需要叠加起来,不仅如此,这些芯片还需要高密度联结在一起,让它的各个功能模块能够有机运转起来。所以,在后摩尔定律时代,封装已经不再单纯地只以线宽线距和集成度的尺寸论英雄,而是更多地考虑如何提升系统的性能以及如何在整个微系统上提升集成度。”

2、封装与前端的晶圆制造结合

有一个震惊的消息是:晶圆厂如台积电和中芯国际也进入了晶圆级封装行业。本来我以为这对封装产业是个威胁,但长电CEO郑力认为这其实是好事。先进封装的一个发展路径是晶圆级封装(WLP),晶圆级封装若要继续向多维方向发展,比如2D、2.5D、3D方向,就必然会与晶圆厂进行合作。这是因为晶圆厂具备在晶圆上进行TSV(硅通孔)工艺制造的能力。在硅转接板时,晶圆厂也能做Silicon Interposer(硅中介层),即高密度布线的晶圆。而封测厂则要进行RDL(晶圆重布)的过程,之后再把布线在封测的层次上进行高密度重新整合。

业界专家评价道,高阶封测的良率比,长电与日月光有约10%的差距,这需要时间提升。但可以想见的是,大陆封测的起飞速度比前段的晶圆制造要走得快。把封测视为后段已是过去式,现在封测与前段的交集已经很多了。挑战处处有,需要坚持与耐心!

3、先进封装和SMT表面贴装结合

封测除了上面讲述的与晶圆制造结合之外,也与整机制造(SMT为核心)有了紧密的结合。

大概在2015年,我第一次看到多芯片封装(multi-chip package)的demo,将所需元件集成在一个模组里,减少了封装次数和走线问题,节省空间,提升性能,降低整机成本。

系统级封装SiP(System in Package)和SMT(表面贴装)有密不可分的关系,主要的设备厂家如ASM-PT、K&S等本来就是做SMT贴片机的。SiP可以减少芯片系统集成过程中面临的工艺兼容、信号混合、噪声干扰和电磁干扰等问题。

手机射频前端模块(PAMiD等)大量采用SiP或类似工艺。开元通信贾斌表示,5G普及带来手机射频器件越来越多,如果分开封装,然后放到PCB板上去贴片,手机可能装不下,最好要整合。SAW、BAW、PA、LNA、RF Switch等射频芯片的基础工艺不一样,没法用SoC方案,只能用系统级封装等工艺,将多颗芯片封装成模组。国际大牌Skyworks、Qorvo、Avago(收购博通)、高通等是这么做的。我在网上搜了一下,射频工艺很多,如GaAs、体硅CMOS、SOI绝缘衬底硅、硅基MEMS、SiGe锗硅等。

摄像头模组和指纹识别模组等采用了COB(Chip on Board)工艺。芯片不封装,直接切割成裸片(Die),将Bonding等封装工艺推迟到模组环节实现。

大家常见的“牛屎芯片”也采用了COB工艺。裸片通过Bonding设备固定在PCB线路板上,再滴上环氧树脂胶。之后再通过SMT工艺贴上其它元器件,一块电路板就诞生了。主叫识别电话机控制板就是这样做的,金线圆圈是围绕裸片(Die)的众多Bonding金线。

图注:CID话机控制板(作者戴辉摄于天讯龙)

四、先进封装:专利纠纷

不可避免地,专利战也会在封装中进行。集微网IP咨询业务负责人马克先生讲述了中外企业在封装专利上的交战的经典案例,来自MEMS麦克风产业。

最先将MEMS技术应用于麦克风制造上,取代传统驻极体的美国楼氏公司,在2000年申请了基础的封装专利,正是凭借这件专利,楼氏公司从2006年开始先后对美国Akustica、新加坡Memstech、美国ADI、英国欧胜、韩国宝星、美国Amkor以及大陆歌尔等发起了专利侵权诉讼,甚至是启动337调查。

大陆MEMS麦克风大厂瑞声早早就与楼氏签署了专利许可协议,才免受专利诉讼困扰,但是沉重的专利授权金也成为大陆企业不得不面对的现实。相比之下,中国台湾产业链更加注重对楼氏这件美国专利的规避,以台湾工研院为牵头,联合美律等电声大厂,至少在楼氏这件封装专利的外围部署了不下7件专利进行规避。但也正是过于注重对楼氏基础专利的规避,使得中国台湾本来具有优势的半导体制造优势并没有在MEMS麦克风领域得以发挥,错失了市场先机,最终成就了大陆的瑞声和歌尔。

五、装备“群体崛起”

我见证了电话机和程控交换机、移动通信和手机行业群体崛起的历程,也带来了大陆芯片业的群体崛起。群体崛起这个词用来称封测装备产业,也再合适不过了。

SEMICONChina 2021上,我看到了很多门类封测设备的国产化。封装有打磨、切割(DICING)、DIE BOND(固晶)、WIRE BOND(引线键合)等主要设备领域。

发展国产设备,对解除垄断、降低成本、提高性能、提升效率都有很好的帮助。

2020年在天水举行的封装大会上,华天肖胜利表示,封装测试企业应秉持合作大于竞争的理念,积极培养国产设备与材料的建设,逐步完成试验平台。

采用国产设备来打破西方设备的垄断,可以有效地降低成本,这在封装上很明显。

刚刚科创板上市的芯碁微装曾填补国内无掩模光刻设备的空白,其直写光刻设备服务PCB(印刷电路板)和泛半导体(FPD显示)领域,正在筹划晶圆级封装(WLP)的直写光刻设备。上市之后,股价暴涨,整个半导体板块也迎来了上涨(希望不只是反弹)。

图注:作者戴辉与芯碁微装首席科学家曲鲁杰于展台

固晶机上,东莞普莱信曾填补国产直线式IC级固晶机(DIE BOND)的空白。

 

超越摩尔基金的王琳贡献了一个案例:镭明激光推出性能与西方公司相当的激光开槽+激光隐切设备,打破了市场垄断。

六、测试装备:“群体崛起”

测试设备主要有芯片级检测的分选机Handler、晶圆级检测的探针台Probe、自动测试机ATE等。

测试设备国产化的机会很大。新工艺带来定制需求,可能一步到位采用国产设备,使得效率更高、性能更好。

深圳矽电是探针台和分选机的厂家。

图注:作者戴辉与哈工大胡泓教授于矽电展台

悦芯科技CEO张悦向我介绍了主打产品Memory内存测试设备,在高效率、一致性、稳定性上做了工作。

加速科技推出高性能ATE自动测试机,和人工智能相结合。

图注:作者戴辉与加速科技CEO邬刚于展台

绍兴宏邦展示了多款功率器件的测试机和分选机,我“撸起袖子”实践了一把。

图注:绍兴宏邦展出的分立器件测试机

南京宏泰半导体展示了半导体ATE自动化测试系列产品,曾在2019年全资收购了模拟测试技术见长的日本アズールテスト株式会社(Azurtest)。

图注:宏泰半导体展出混合信号测试机MS8000

相关服务的企业也在发展,上海季丰电子有材料分析、失效分析以及可靠性认证等业务。

七、封装材料稳步发展

在材料领域,大陆也在奋起直追,比如近期“谈基色变”的基板和引线框架。

电子业要用到大量的贵金属黄金,主要是在封装的引线键合上。业界不断推进在越来越多的场景下用铜(甚至铝)来替代黄金,大陆企业也做了不少工作。

深圳芯片制造业相比国内一些城市慢了一拍,于是谋划弯道超车。2020年开始,深圳推动新一代信息通信技术的发展。深圳市机器人协会秘书长毕亚雷介绍,2020年12月30日,中科院先进院在宝安设立了深圳先进电子材料国际创新研究院(以下简称“电子材料院”),聚焦高端先进电子封装材料,旨在推动高端电子材料国产化“突围”。

八、真“芯”英雄:不忘初“芯”,硅积万里

国家集成电路大基金负责人丁文武先生贴出了一首《真“芯”英雄》,唱出了众多芯片人的“芯”情:用我们的“芯”,一起实现中国“芯梦”;让我们的“芯”,如星辰大海,使得世界互联互动。

(校对/范蓉)

戴辉Steve

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