先进制程缺位，大陆封测四雄能否 “曲线救国”

一直以来我国集成电路产业发展都饱受“缺芯”困扰，在高端芯片领域尤为突出。近几年我国芯片进口额依然年年攀升，2020年中国各类芯片总额高到3800亿美元，国产芯片的高端替代迫在眉睫。来源：华封科技官网国内在芯片制造环节的短板引发了广泛关注，但在关注度不高的封测环节，已经全球领先。根据拓墣产业研究院2020年第三季度全球十大封测业营收排名，中国大陆有三家封测厂位列其中，江苏长电、通富微电和天水华天分别位列全球第3、第6、第7。那么“大陆芯”封测环节的成功是否能够被复制在芯片生产的其他环节？封测优势能为实力偏弱的先进芯片制造工艺补位吗？大陆封测“四巨头”，并购获得先进封装技术按照芯片的生产流程，封装测试位于芯片设计和制造之后，它通过各种方式为芯片裸片装上一个外壳，发挥密封和保护作用，更为重要的是能够连接芯片内部世界与外部电路，搭建起沟通桥梁。“封装主要有两大功能，第一是通过某种精细的方式导出芯片上的电信号，第二是通过某种方式保护芯片裸片，同时不影响其散热性能，因此封测行业的发展路径比较清晰，芯片需要做小，引线结构需要改变。”刘宏钧解释道。一般而言，芯片面积与封装面积之比越接近1，封装效率就越高，也代表封装技术更先进。因此，芯片封装经历了引脚连接（DIP）、引线连接（QFP）、表面贴装（PAG）、焊球封装（BAG）等发展阶段，如今进入3D封装时代。半导体封装技术发展路线图在3D封装中，晶圆级封装（WLP）在高端应用中经常被使用，系统级封装（SIP）尚未大规模普及。大陆封测厂通过前期追赶传统封装以及行业前瞻性，如今在先进封装取得不少进展。“以前大陆封测厂倒装技术、晶圆级封装技术都比较落后，最近几年先进封装技术发展很快，能够满足绝大部分用户的产品需求，特别是长电、华天和通富的晶圆级封装、倒装型封装都有很大的进步。”厦门大学特聘教授于大全博士向本网表示。据了解，长电科技拥有WLP、2.5D/3D封装技术，还拥有SIP封装、高性能的FlipChip和引线互联封装技术，华天科技芯片封装产品丰富，自主研发出FC、Bumping、MEMS、MCM（MCP）、WLP、SiP、TSV、Fan-Out等多项集成电路先进封装技术和产品，通富微同样是兼具传统封测和部分先进封测技术，晶方科技侧重影像传感器的晶圆级封装技术，且其CMOS影像传感器晶圆级封装技术位于世界前沿。不过，在大陆封测厂已有的先进封装技术中，有很大一部分是从国外引进或通过并购获得的，缺乏自主研发的变革性技术。晶方科技副总经理刘宏钧告诉本网，CMOS影像传感器晶圆级封装技术（WLCSP）是晶方科技在2005年成立时从以色列引进的新技术，之前传感器的封装大部分采用类似组装的方式而不是先进封装，因此这一技术是在中国大陆乃至全世界都是比较先进的技术。晶方科技之所以会引入这一先进封装，是基于整个行业对封装未来发展方向的共识。长电科技也在2015年初通过并购在全球半导体行业排名第四的星科金朋，以此来获得高壁垒的封测核心技术。本网(公众号：本网)了解到，如今已成为长电科技子公司的星科金朋主要负责高端产品线，拥有倒装（FC）和系统级封装（SiP）技术，以及世界一流的晶圆级封装服务。值得注意的是，即使是大陆封测厂可以通过并购获得先进封装技术，也与台积电的先进封装技术存在一定的差距。“长电科技的先进封装，比如圆片级扇入、扇出型技术，目前可以用在很多主流产品上。但与台积电用在苹果处理器上的三维扇出型技术（InFO）、用于高性能计算的2.5D集成技术（CoWoS）相比，目前大陆的封测厂技术上还有较大差距。”于大全说。华封科技联合创始人王宏波也告诉本网，中国大陆封测厂与中国台湾的封测厂存在代差。华封科技是半导体领域近期显露头角的“黑马”，七年时间跻身全球先进封装设备供应商前三强，主要为半导体先进封装提供贴片机、晶圆级封装机等设备。“中国台湾的先进封装发展得更快，所以我们前两年的精力和客户主要是在台湾，不过从去年开始大陆的先进封装也在往前推进了，我们的北京分公司基本从去年开始运转并开始有市场拓展，如今通富微已经开始批量采购我们的设备，另外，大陆其他封测公司也在陆续与我们接洽”。王宏波表示。可控性强，大陆先进封装比先进制程更具后发优势“大陆封测厂突破性的技术虽然不是很多，但在改进型技术方面表现良好，包括传统封装中的QFP技术，以及比较先进的SiP方面的尝试，都有在原有的基础上提高效率、降低成本，拓宽原有的边界。”刘宏钧表示。刘宏钧还认为，大陆封测厂体量已经较大，等到体量规模到达一定程度后，还会在变革性技术方面做进一步尝试。这也是为什么大陆封测厂即使在先进封装方面与台积电等厂商存在一定的差距，市场排名也能够挤进前十的原因。此外，历史宏观条件和大陆封测厂“硬件”需求的发展情况，也推动了大陆封测厂的发展。刘宏钧从历史宏观的角度分析了大陆封测成绩突出原因，他认为可以将其概括为“天时地利人和”。“天时”是指大陆封测厂发展之时恰逢产业转移；“地利”是指亚太地区在过去二十年都是电子制造产业链的聚集度，中国正好处于聚集地的中心位置，同时也是电子产品的消费中心；“人和”是指大陆不缺封测行业所需人力资源以及国家推出一系列产业政策助力。半导体封测材料公司广州先艺的工程师王捷补充了另外两个原因，“一方面封测行业的门槛低于半导体制造，相应地也更容易实现突破，见到成效；另一方面国内封测行业有良好的产业基础和一定的技术积累，同时能充分发挥产业链的成本优势。”另外，在芯片封测所需的材料和设备方面，虽然在高端领域与国际水平存在一定的差距，但相比芯片设计和制造环节，有更高的可控性。于大全认为，大陆封测厂在推动国产装备和材料应用方面表现良好。设备方面，减薄、划片、引线键合、圆片塑封等与国外还有一定差距，但晶圆级封装所需要用到的光刻机、电镀机、涂胶显影的等设备在国内的发展势头良好，已经逐步取代国外设备。材料方面，先进光刻胶、聚酰亚胺、底部填充胶、高端塑封料等还不能满足量产需求，部分低端光刻胶、电镀液、临时键合胶等材料已经开始应用。“整体看来，封装技术、装备材料进步都很明显，在逐步实现自主化。”芯片制造与芯片封测所需设备的可控性，也可以从两者都需要用到的光刻机这一设备上得以体现。根据王宏波的介绍，2.5D或3D封装过程中，会有一层用于连接功能的硅片，需要用到光刻机将一些逻辑芯片放在这一硅片上，但只是用来完成一些简单的连接，因此只需要达到微米级的精度，目前这一精度需求的光刻机我国已经能够自主生产。封测材料方面，王捷说：“如果是一款全新的先进封装材料，开发出来的验证周期长，需要做大量工作，基本是国际大公司在做，国内公司开发新材料的实力不算很强，但在进口替代方面，大部分中低端材料国内都有一些生产链，例如光电封装需要用到的载板，基本被国外垄断，国内虽然有一定的进展，但所占份额小，品质存在一定差距。”“再比如用量较大的焊料产品，国内很多厂商都在做，低端产品已基本能够满足自产自销，高端产品主要依靠国外进口。”王捷补充道。另外，一位材料专家曾介绍，光刻胶这样的化工产品有许多配方，关键是配方要一个个去试，只要花时间、人力和投入资源，是可以做出来的，并非无法克服。由此可以看到，在材料、设备等硬件条件方面，大陆芯片封测厂发展先进封装比大陆芯片设计厂或晶圆厂发展先进的工艺制程具有天然的低门槛优势，而这一优势也使得大陆封测厂在设备和材料的验证方面有更大的空间，因此形成“优势富集效应”。“大陆封装厂愿意也有能力去尝试研发一些新技术、新产品，具有一定的创新精神和推动全行业发展的思想，这是因为大陆封测厂目前的体量足够大，有能力去支持装备和材料的发展。”“封测有联盟组织上的优势，国家科技重大专项02专项以前也有组织过几次对设备和材料应用的验证工程，对整个行业都有很大的促进作用。”于大全说。相比较而言，国内芯片制造由于本身的制程落后，处于追赶阶段，可创新空间小，很难大规模推动国产装备和材料做出验证。目前中美关系紧张，迫使国内制造企业加速了国产装备和材料的国产化进程。那么，大陆先进封装的优势该如何转化到先进工艺制程上？制造与封装融合成趋势，先进制程“瓶颈”封装来破发挥大陆芯封测环节的优势，必然不是生搬硬套封测环节的成功经验。“如果打一个通俗易懂的比方来形容芯片设计、制造和封测，它们有点像一部高质量的电影需要演技精湛的演员、技艺高超的化妆师和优秀的导演、编剧和剧本。”刘宏钧说。本网此前文章《单纯依靠芯片设计制造工艺提升来推进先进制程可能无法延续摩尔定律，或许可以尝试用先进封装技术解决芯片设计与制造所面临的瓶颈。如果依然用演员、编剧打比方，也就意味着双方最终的目的都是为创作一部精彩的电影，演员虽然无法改变整体剧情，但可以在具体的场景中设计一些细节为电影加分。在SemiconChina2021上，中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明在演讲中提到，芯片制造与芯片封装相结合，也可以做到用65nm工艺制程实现40nm的工艺制程的性能功耗要求。近两年比较热门的Chiplet（也叫小芯片或芯粒）就是依靠芯片封装的优势来弥补芯片设计与制造方面不足的经典案例，“Chiplet技术可以将一个复杂系统芯片转变成好几个小芯片进行组合对接，形成系统功能，可以通过芯片集成来实现高性能。”于大全说道。Chiplet因占据面积较小且通常选择成熟工艺进行制造和集成，能够有效提高良率并降低开发和验证成本，满足现今高效能运算处理器需求，且已经应用在多个领域。“但Chiplet实现起来也并不简单，需要芯片设计和制造一起协同工作才行。”于大全补充道。芯片设计制造与封测之间开始融合，未来的大陆晶圆厂可能也会像台积电一样，进军先进封装。