一台光刻机,解不了中国“芯痛”

2021-08-24 11:52:03
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2021-08-24

中国芯片产业目前从设计、制造到市场销售都存在诸多挑战。

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来源/亿欧网   作者/ 岑烨  编辑/刘欢


中国芯片被卡脖子的问题,往往被总结成中国缺少光刻机,似乎只要有了光刻机,中国就能实现“芯片自由”,事实真的是这样吗?


芯片产业主要可以分为芯片设计、晶圆制造、封装测试三个环节。中国要实现芯片全产业链的国产替代,这三个环节中的技术、设备、材料、工艺、人才、资金都不容忽视。


目前,不仅仅是晶圆制造环节中光刻机稀缺,中国从芯片设计到封装测试都还有很多步骤和美、日等国家存在差距。本文将围绕芯片生产制造中的三个环节:芯片设计、晶圆制造、封装测试及成品芯片市场销售端中国面临的问题及挑战展开讨论。

芯片设计


中国目前已经成为全球最大的半导体及芯片市场。在市场应用的带动下,以及在国家半导体大基金的扶持下,2018年中国涌现了超过1600家芯片设计公司。这其中,以海思半导体、紫光展锐、龙芯中科、阿里平头哥半导体、长江存储、汇顶科技、寒武纪、北京君正等芯片设计企业为首。


虽然国内芯片设计公司数量众多,几乎涉及到各个应用领域中,但必须看到中国芯片设计公司与国际领先的芯片设计公司,在盈利水平和设计能力还存在一定差距。


1.1 盈利水平


2020年,国际芯片设计企业营收排名第一的高通、第二的博通营收分别为194亿美元、177亿美元。位列中国芯片设计企业营收第一的是海思半导体,盈利大约在963亿人民币左右。中国除了海思半导体的营收规模能与国际前列企业持平之外,其他公司都差距甚远。


1.2 设计能力


据业内专家向亿欧EqualOcean透露,虽然目前中国芯片设计初创企业数量众多且受资本市场追捧,但很多芯片设计企业都是做反向的,通过Decap即开封芯片对正品芯片逐层拍照,提取,分析其中的数据信息,最终获取芯片的整个集成电路布图构造,反推芯片的电路设计。


芯片反向工程原本的目的是为了防止芯片被抄袭,但后来逐渐演变成为公司为了更快更省成本的设计出芯片而采取的一种方法。中国也有一些企业专门提供芯片开封技术及服务,例如,芯愿景软件有限公司。而芯愿景也正是因为无法摆脱对反向设计的依赖,导致科创板IPO阻力重重,最终被驳回。

晶圆制造


晶圆制造是芯片生产制造环节中最核心且最复杂的环节。在国际舞台上,不管从市场占有率还是营收评估,台积电都遥遥领先其他企业。中国现在主要的晶圆制造代工厂是中芯国际和华虹半导体。晶圆制造的难点可概括为原材料的生产能力限制和制造工艺设备稀缺。


2.1 原材料


受到芯片原材料生产能力限制,中国芯片的晶圆制造在源头上就存在困境。生产整合芯片的原材料是硅,在从沙子中获取硅的加工工艺环节,对技术要求较高且复杂繁琐,其纯度不能低于99.99999%。用二氧化硅提纯出纯度要求非常高的电子级多晶硅的产能问题,是中国芯片发展道路上的一座高山。


纵观全球,生产制造原材料单晶硅片的核心技术主要被日本掌握,日本信越化学和SUMCO、韩国LG有机化学及中国台湾的环球圆晶等,都是硅材料方面的知名企业。目前,全球半导体硅片市场已经被来自日本、德国等国家和地区的5家供应商垄断了超过90%的市场份额。


2.2 制造工艺及其设备


工艺方面提到最多的就是光刻机,因为光刻机是其中最复杂及最核心的工艺设备。此前,全世界能批量生产高端光刻机的厂家只有三家,荷兰ASML,日本的尼康和佳能。但是,光刻机的研发成本让尼康和佳能几乎难以负担。


目前,ASML厂家占据全球光刻机市场出货量的90%。在中高端光刻机领域,ASML生产的最高端型号的EUV光刻机每台售价高达1.1亿美元。中国受限于光刻机不仅因为价格高昂,更受制于1996年签署的《瓦森纳协定》对中国的封锁禁售。


除此之外,光刻机的采购、运输、调试及使用都存在困难。以最先进的EUV光刻机为例,单台设备超过10万个零件、4万个螺栓、3000条线路,软管总长超过两公里。设备重180吨,单台发货需要用到40个货柜、20辆卡车以及3架货机。在调试使用光刻机时,往往需要国外驻场工程师的参数调节及使用指导。中国不仅缺乏设备,同时也缺乏设备工程师等专业使用、运维、养护、整修人才。


其实,中国也有自主生产光刻机的企业,业内熟知的是上海微电子装备(集团)股份有限公司(SMEE),企业生产的600系列光刻机工艺制程在90nm到280nm之间,65nm的光刻机还在研发中。2001年,ASML就获得了157nm关键的光学技术。2010年,上海微电子首次发售概念性工艺节点在180nm到130nm的光刻机。由此可见,中国在光刻机领域的发展比ASML落后了至少10年。


短期内,中国需要解决的是如何使用及如何修缮的问题;长期是要解决如何制造的问题。

封装测试


芯片封装及测试是中国芯片产业链中唯一能与国际企业竞争的环节。


目前,中国封装测试市场主要由长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等企业占据。封装测试常被人认为是芯片技术门槛较低的环节,但是中国目前在材料端、设备端、人才等方面都还存在一定问题。


3.1 材料


以银浆固化程序中的银浆为例,国产银导电浆料在导电性能、浆料稳定性方面与进口产品存在差距,使得相当一部分导电浆料仍有依赖于进口。


3.2 设备


其中,引线焊接步骤被认为是最难环节,因为引线需要设备极高的稳定性。引线焊接所需要的引线键合机(金线机、铝线机)以美国、日本、荷兰进口为主。以下表格列举了一些芯片封装测试环节常用的设备及其品牌。


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业内专家向亿欧透露,一条完整的封装测试生产线需要超过10个进口设备,总设备成本大约在1200万人民币到1500万人民币左右。由于,封装设备治具的不同,一条封装测试线只能封装一种类型。因此,许多中国封装企业会购买美国或台湾淘汰的二手设备,在进行翻新后投产使用,以降低成本投入。


3.3 人才


根据《中国集成电路产业人才白皮书(2017-2018)》显示,2020年,中国集成电路行业人才需求规模约72万人,现有人才存量40万,缺口达32万人。32万的人才缺口,遍布芯片产业的方方面面,包括设计研发人才、企业管理人才、每道工序的制造人才、封装工人、设备协调工人等。


在亿欧实地走访调用中,业内专家表示,芯片封装测试生产线及工厂往往需要配备各个方面专业的人才,包括:工艺工程师,负责调研设计封装体,设定治具的要求及确定封装工艺的参数;设备工程师,负责执行、调试参数,达到稳产的要求;操作工,负责点胶、上料等;质量管理厂务,负责产品质量管理等。


其中,工艺工程师要求较高,早期中国也需要聘请日本,台湾等相关人才。

中国芯片企业现有模式及整体面临的挑战


半导体市场中,很多珠三角的芯片封装测试企业,通过从日本,台湾等地购买裸片(晶圆),直接进行自主封装,测试完成后会贴上自己品牌或者原厂的标签,标榜自己是国产化替代。终端企业,例如一些特殊部门为了满足政策要求的国产化替代率,也会购买此类产品。


总体而言,国产芯片不仅难生产,同样在市场端售卖也面临窘境。这也被看作是国产芯片企业面临的通病。


其主要原因是国产芯片起步晚,需要很长时间的验证和优化,以及终端用户对国产芯片信任感较低。其次是国产芯片产品谱系不足,很多国产芯片还是集中在个别爆款品类及低端产品,要做到全产品谱系,国内还有很长的路要摸索。


另外,芯片设计需要通过流片厂进行“试生产”,流片的主要目的是生产5-25片芯片进行产品验证。但其成本高昂,流片一次的价格大约在人民币50万-100万左右。


同时,中国的流片厂数量极少,主要只有华润上华(CSMC)、华虹宏力(HHGrace)、中芯国际这三家企业。因此,流片厂产能紧张,芯片设计企业很难拿到排期。这也是中国芯片设计企业需要共同面临的挑战。


尽管,中国芯片产业目前从设计、制造到市场销售都存在诸多挑战。但是,我们也期待未来中国各个芯片相关企业能在困局中突围,真正从原材料、人才、设备、技术、制造工艺等全方位做到国产替代。


基于芯片设计,晶圆制造,封装测试产业发展现状,亿欧智库正在撰写《2021中国芯片封装测试行业发展趋势研究报告》,该报告目前处于开题阶段,我们诚邀产业链上中下游相关企业、协会、专家、高校、研究机构等参与其中,联系方式:cenye@iyiou.com, 微信:cy53956870。


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