与非网3月11日讯,半导体设备,即在芯片制造和封测流程中应用到的设备,广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中,会经过上千道加工工序,涉及到的设备种类大体有九大类,细分又可以划出百种不同的机台,占比较大市场份额的主要有:光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。

 

我国半导体设备被“卡脖子”,除了在光刻机等晶圆制程设备上,在在半导体封装设备领域,同样也面临着被国外企业垄断,且国产化进程令人心忧的状态。

 

典型的半导体封装工艺流程为:划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋和成型 、外观检查、 成品测试 、包装出货。与封装流程对应的,整个封装设备包括切割减薄设备、划片机、贴片机、固化设备、引线焊接/键合设备、塑封及切筋设备等。


据中国国际招标网数据统计,封测设备国产化率整体上不超过5%,个别封测产线国产化率仅为1%,大幅低于制程设备整体上10%-15%的国产化率。尤其是在封装最核心的几个设备,IC级的固晶机,焊线机,磨片机国产化率接近为零。


另一方面,中国已成为封装大国,2019年中国封装产业产值超过7000亿元,全球前十大封测企业有三家在中国。中国封装产业市场前景广阔,根据前瞻产业研究院综合多种因素分析,我国集成电路封装市场将持续维持较快的增长,预计到2026年,市场份额将突破4000亿元,2020-2026年间年均复合增长率将达到10%左右。

 

同时,随着芯片制程达到物理极限,摩尔定律开始失效,光刻工艺进展缓慢,半导体制造技术的进步将逐渐把重心从前段移至后段的封装领域,各种先进封装制程,高精密封装制程应运而生,可以预期封装将会是未来半导体领域竞争的重心。
然而,对中国封装产业来说,“大而不强”不仅是一种尴尬,更是悬在中国IC产业的又一把达摩克利斯之剑。


据统计,各类封装设备几乎全部被进口品牌垄断。国内固晶机主要被ASM Pacific、Besi、日本FASFORD和富士机械垄断,焊线机设备主要来自美国K&S、ASM Pacific、日本新川等外资品牌;划片切割/研磨设备则主要被DISCO、东京精密等垄断。对此,普莱信智能董事长田兴银谈到:“一旦整个国际形势发生变化,外资公司受到美方的压迫威胁而对中国封装产业进行设备断供,整个封装产业链将会面临崩溃,美国对华为的制裁已经充分展示了这种风险,因此,封装设备的国产化是唯一解决之道。”


国产设备亟需突破技术瓶颈
然而,实现封装设备的国产化并非易事,首要一步就要跨越技术上的“万里长征”。


纵观后段的封装核心设备,难度最高的是固晶机、焊线机和磨片机。这些设备的共性都是需要高速高精的运动控制,电机和机械,对控制、算法、机械设计及工艺的要求极高,国内在过去十年,在高速高精的运动控制、直线电机及驱动等领域,无论是数控机床还是半导体设备,一直投入不足,人才断档,整个产业处于停滞状态。究其原因,据田兴银分析,这主要是在中美贸易战之前,半导体行业和机床行业普遍存在的“造不如卖”的概念导致。


要想突破这些装备,必须先突破底层核心技术。以国际龙头封装设备企业ASM Pacific为例,其构建了包括运动控制、伺服驱动、直线电机和视觉系统的整个底层核心技术平台,在核心技术平台的基础上开发了固晶、焊线、先进封装等全系列的设备。


然而,国内设备厂家长期以来奉行的拿来主义,希望第三方的底层技术来构建自己的产品,但在半导体设备领域,缺乏独立的核心部件提供商,导致国产半导体设备一直很难突破技术瓶颈,只能在低端徘徊。


以封装中最核心的Die Bonder(固晶机)为例,固晶机是一种高速高精的光机电一体化的设备,广泛用于任何的封装形式,无论先进封装,还是传统IC封装、高精度封装和LED,都有die bond工艺,而不同领域对固晶机的技术要求不同,LED因为位置精度要求低,基本没有角度精度要求,广泛采用低成本的摆臂式方案,这类机器相对技术难度低,国产化做得比较好,但是IC级的高速固晶机,光通信传感器用的高精度固晶机还是被进口设备垄断。


因此,田兴银认为:“要突破核心半导体设备,必须突破核心部件,在整机领域,充分发挥自主创新,实现弯道超车是中国半导体设备发展的必由之路。”


切换思路,生机乍现
为了全面发展中国半导体产业,减少或缩短技术短板,国家也大力投入并制定了一系列优惠政策,支持半导体设备产业发展。公开数据显示,国内每年半导体设备投资额超过500亿美元,其中IC封测后端设备占比25%。在IC封装测试中,需要用到诸如减薄机、划片机、固晶机、焊线机等设备。其中,固晶机等核心设备长期被ASM Pacific、欧洲BESI、日本日立等公司垄断。


就固晶机而言,国内厂商如何才能在国外高度垄断且技术较为成熟的情况下找到一线生机?古语有云:“穷则变,变则通,通则久。”在困境中学会变通,适时切换思路或许才有新的突破和机会。为此,国内高端半导体设备企业普莱信智能挑战了一种新的技术可能。


据了解,普莱信打破传统设备厂商思路,通过构建包括运动控制器、伺服驱动、直线电机和视觉系统的底层技术平台,并结合封装工艺,进行IC级固晶机的研发。
此种思路得到了业界的肯定,现在普莱信智能的8吋和12吋直线式的固晶机已经规模化的量产,并进入了主流的封装企业,覆盖了QFN、DFN、SIP和MEMS等多种相对技术要求较高的封装形式,正在向先进封装领域迈进。普莱信的贴装精度达到3微米的高精度固晶机,被光通信行业广泛采用。普莱信的倒装刺晶方式的XBonder是国内最领先的MiniLED巨量转移设备。

 

在亟需提升封装设备国产化率的当下,普莱信的成功,不仅是实现封装设备国产化的重要一步,同时也让封装设备厂商看到了希望的曙光。集微网在对田兴银的深入采访中,探讨了普莱信可借鉴的发展思路。田兴银提到,普莱信主要有三大发展思路:


一、持续专注的研发投入,掌握核心技术。普莱信认为,国产固晶设备厂家的短板在于国内对适用于半导体设备的高速高精运动平台、力控技术和IC工艺理解的缺失。为解决上述难题,在过去四年中,普莱信通过收购、自研和合作开发,完成了包括运动控制器、直线电机、伺服驱动和视觉系统在内的整个底层技术平台,运动控制精度可以控制在亚微米级的水平,力控系统可以将力控制在最小20克,正负误差不超过5克,解决了VCSEL芯片高精度封装最难解决的问题。


二、“跟随+创新”的产品战略,实现弯道超车。普莱信采用了“跟随+创新”双路线。在传统的封装领域,普莱信采用的是跟随战略。同时,田兴银也指出:“对于创业公司来说,跟随永远无法超越,必须要有革命性的产品。”针对新型显示领域,普莱信在开发的XBonder,采用全新的倒装刺晶方式,相对传统Pick&Place的固晶系统,可以解决芯片尺寸在150微米以下的产品的高速转移,成为决定MiniLED产品能否量产的核心关键。


三、以客户为中心,需求驱动和服务至上的市场体系。普莱信还解决了封装核心设备定制化需求难以满足、服务价格偏高等服务痛点,坚持以客户为中心的市场战略,为其市场的成功打下坚实基础。随着产品开发和市场的成功,普莱信在资本市场也获得巨大支持,持续获得中国最顶尖的风险投资机构鼎晖、光速、云启、元禾等的多轮数亿投资。


无疑,普莱信在IC级固晶机、高精度固晶级和巨量转移设备上的突破,为中国半导体产业国产化走出了一条生机之路——国产替代要以掌握核心技术为基础,同时在产品布局和市场服务两个领域进行突破。

 

另外,在本月17-19日,SEMICON China 2021 将在上海新国际博览中心隆重举行。普莱信智能(展位号:N1馆1343)携最新半导体设备亮相,本届展会亮点:MiniLED封装、IC封装、先进封装、光通信封装、片式电感等行业,提供高端装备和智能化解决方案。

 


结语:中国半导体产业要实现加速超车,无论是芯片设计,还是前、后段设备和材料,都必须坚持走国产替代的道路。这注定是一条注定漫长,艰辛而孤独之路,但这又是一条不得不全力以赴的路。