芯片產(chǎn)業(yè)主要可以分為芯片設(shè)計(jì),晶圓制造,封裝測試三個(gè)環(huán)節(jié)。中國要實(shí)現(xiàn)芯片全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)替代,這三個(gè)環(huán)節(jié)中的技術(shù)、設(shè)備、材料、工藝、人才、資金都不容忽視。

目前,不僅僅是晶圓制造環(huán)節(jié)中光刻機(jī)稀缺,中國從芯片設(shè)計(jì)到封裝測試都還有很多步驟和美、日等國家存在差距。本文將圍繞芯片生產(chǎn)制造中的三個(gè)環(huán)節(jié):芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試及成品芯片市場銷售端中國面臨的問題及挑戰(zhàn)展開討論。

一、芯片設(shè)計(jì)

中國目前已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體及芯片市場。在市場應(yīng)用的帶動下,以及在國家半導(dǎo)體大基金的扶持下,2018年中國涌現(xiàn)了超過1600家芯片設(shè)計(jì)公司。這其中,以海思半導(dǎo)體、紫光展銳、龍芯中科、阿里平頭哥半導(dǎo)體、長江存儲、匯頂科技、寒武紀(jì)、北京君正等芯片設(shè)計(jì)企業(yè)為首。

雖然,國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司數(shù)量眾多,幾乎涉及到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中,但必須看到中國芯片設(shè)計(jì)公司與國際領(lǐng)先的芯片設(shè)計(jì)公司在盈利水平和設(shè)計(jì)能力還存在一定差距。

1．1盈利水平

2020年,國際芯片設(shè)計(jì)企業(yè)營收排名第一的高通、第二的博通營收為194億美元、177億美元。位列中國芯片設(shè)計(jì)企業(yè)營收第一的是海思半導(dǎo)體,盈利大約在963億人民幣左右。中國除了海思半導(dǎo)體的營收規(guī)模能與國際前列企業(yè)持平之外,其他公司都差距甚遠(yuǎn)。

1．2設(shè)計(jì)能力

據(jù)業(yè)內(nèi)專家向億歐透露,雖然目前中國芯片設(shè)計(jì)初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量眾多且受資本市場追捧,但很多芯片設(shè)計(jì)企業(yè)都是做反向的,通過Decap即開封芯片對正品芯片逐層拍照,提取,分析其中的數(shù)據(jù)信息,最終獲取芯片的整個(gè)集成電路布圖構(gòu)造,反推芯片的電路設(shè)計(jì)。

芯片反向工程原本的目的是為了防止芯片被抄襲,但后來逐漸演變成為公司為了更快更省成本的設(shè)計(jì)出芯片而采取的一種方法。中國也有一些企業(yè)專門提供芯片開封技術(shù)及服務(wù),例如,芯愿景軟件有限公司。而芯愿景也正是因?yàn)闊o法擺脫對反向設(shè)計(jì)的依賴,導(dǎo)致科創(chuàng)板IPO阻力重重,最終被駁回。

二、晶圓制造

晶圓制造是芯片生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中最核心且最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在國際舞臺上,不管從市場占有率還是營收評估,臺積電都遙遙領(lǐng)先其他企業(yè)。中國現(xiàn)在主要的晶圓制造代工廠是中芯國際和華虹半導(dǎo)體。晶圓制造的難點(diǎn)可概括為原材料的生產(chǎn)能力限制和制造工藝設(shè)備稀缺。

2．1 原材料

受到芯片原材料生產(chǎn)能力限制,中國芯片的晶圓制造在源頭上就存在困境。生產(chǎn)整合芯片的原材料是硅。在從沙子中獲取硅的加工工藝環(huán)節(jié),對技術(shù)要求較高且復(fù)雜繁瑣,其純度不能低于99．99999%,用二氧化硅提純出純度要求非常高的電子級多晶硅的產(chǎn)能問題是中國芯片發(fā)展道路上的一座高山。

縱觀全球,生產(chǎn)制造原材料單晶硅片的核心技術(shù)主要被日本掌握,日本信越化學(xué)和SUMCO、韓國LG有機(jī)化學(xué)及中國臺灣的環(huán)球圓晶等都是硅材料方面的知名企業(yè)。目前,全球半導(dǎo)體硅片市場已經(jīng)被來自日本、德國等國家和地區(qū)的5家供應(yīng)商壟斷了超過90%的市場份額。

2．2 制造工藝及其設(shè)備

工藝方面提到最多的就是光刻機(jī),因?yàn)楣饪虣C(jī)是其中最復(fù)雜及最核心的工藝設(shè)備。此前,全世界能批量生產(chǎn)高端光刻機(jī)的廠家只有三家,荷蘭ASML,日本的尼康和佳能。但是,光刻機(jī)的研發(fā)成本讓尼康和佳能幾乎難以負(fù)擔(dān)。

目前,ASML廠家占據(jù)全球光刻機(jī)市場出貨量的90%。在中高端光刻機(jī)領(lǐng)域,ASML生產(chǎn)的最高端型號的EUV光刻機(jī)每臺售價(jià)高達(dá)1．1億美元。中國受限于光刻機(jī)不僅因?yàn)閮r(jià)格高昂,更受制于1996年簽署的《瓦森納協(xié)定》對中國的封鎖禁售。

除此之外,光刻機(jī)的采購、運(yùn)輸、調(diào)試及使用都存在困難。以最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)為例,單臺設(shè)備超過10萬個(gè)零件,4萬個(gè)螺栓,3000條線路,軟管總長超過兩公里。設(shè)備重180噸,單臺發(fā)貨需要用到40個(gè)貨柜,20輛卡車以及3架貨機(jī)。在調(diào)試使用光刻機(jī)時(shí),往往需要國外駐場工程師的參數(shù)調(diào)節(jié)及使用指導(dǎo)。中國不僅缺乏設(shè)備,同時(shí),也缺乏設(shè)備工程師等專業(yè)使用、運(yùn)維、養(yǎng)護(hù)、整修人才。

其實(shí),中國也有自主生產(chǎn)光刻機(jī)的企業(yè),業(yè)內(nèi)熟知的是上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司(SMEE),企業(yè)生產(chǎn)的600系列光刻機(jī)工藝制程在90nm到280nm之間,65nm的光刻機(jī)還在研發(fā)中。2001年,ASML就獲得了157nm關(guān)鍵的光學(xué)技術(shù)。2010年,上海微電子首次發(fā)售概念性工藝節(jié)點(diǎn)在180nm到130nm的光刻機(jī)。由此可見,中國在光刻機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展比ASML落后了至少10年。

短期內(nèi),中國需要解決的是如何使用及如何修繕的問題;長期是要解決如何制造的問題。

三、封裝測試

芯片封裝及測試是中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈中唯一能與國際企業(yè)競爭的環(huán)節(jié)。

目前,中國封裝測試市場主要由長電科技、華天科技、通富微電、晶方科技等企業(yè)占據(jù)。封裝測試常被人認(rèn)為是芯片技術(shù)門檻較低的環(huán)節(jié),但是中國目前在材料端、設(shè)備端、人才等方面都還存在一定問題。

3．1材料

以銀漿固化程序中的銀漿為例,國產(chǎn)銀導(dǎo)電漿料在導(dǎo)電性能,漿料穩(wěn)定性方面與進(jìn)口產(chǎn)品存在差距,使得相當(dāng)一部分導(dǎo)電漿料仍有依賴于進(jìn)口。

3．2設(shè)備

其中,引線焊接步驟被認(rèn)為是最難環(huán)節(jié),因?yàn)橐€需要設(shè)備極高的穩(wěn)定性。引線焊接所需要的引線鍵合機(jī)(金線機(jī),鋁線機(jī))以美國、日本、荷蘭進(jìn)口為主。以下表格列舉了一些芯片封裝測試環(huán)節(jié)常用的設(shè)備及其品牌。

業(yè)內(nèi)專家向億歐透露,一條完整的封裝測試生產(chǎn)線需要超過10個(gè)進(jìn)口設(shè)備,總設(shè)備成本大約在1200萬人民幣到1500萬人民幣左右。由于,封裝設(shè)備治具的不同,一條封裝測試線只能封裝一種類型。因此,許多中國封裝企業(yè)會購買美國或臺灣淘汰的二手設(shè)備,在進(jìn)行翻新后投產(chǎn)使用,以降低成本投入。

3．3人才

根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(2017-2018)》顯示,2020年,中國集成電路行業(yè)人才需求規(guī)模約72萬人,現(xiàn)有人才存量40萬,缺口達(dá)32萬人。32萬的人才缺口,遍布芯片產(chǎn)業(yè)的方方面面,包括設(shè)計(jì)研發(fā)人才、企業(yè)管理人才、每道工序的制造人才、封裝工人、設(shè)備協(xié)調(diào)工人等。

在億歐實(shí)地走訪調(diào)用中,業(yè)內(nèi)專家表示,芯片封裝測試生產(chǎn)線及工廠往往需要配備各個(gè)方面專業(yè)的人才,包括:

工藝工程師:負(fù)責(zé)調(diào)研設(shè)計(jì)封裝體,設(shè)定治具的要求及確定封裝工藝的參數(shù);

設(shè)備工程師:負(fù)責(zé)執(zhí)行、調(diào)試參數(shù),達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的要求;

操作工:負(fù)責(zé)點(diǎn)膠、上料等;

質(zhì)量管理廠務(wù):負(fù)責(zé)產(chǎn)品質(zhì)量管理等。

其中,工藝工程師要求較高,早期中國也需要聘請日本,臺灣等相關(guān)人才。

中國芯片企業(yè)現(xiàn)有模式及整體面臨的挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體市場中,很多珠三角的芯片封裝測試企業(yè),通過從日本,臺灣等地購買裸片(晶圓),直接進(jìn)行自主封裝,測試完成后會貼上自己品牌或者原廠的標(biāo)簽,標(biāo)榜自己是國產(chǎn)化替代。終端企業(yè),例如一些特殊部門為了滿足政策要求的國產(chǎn)化替代率,也會購買此類產(chǎn)品。

總體而言,國產(chǎn)芯片不僅難生產(chǎn),同樣在市場端售賣也面臨窘境。這也被看作是國產(chǎn)芯片企業(yè)面臨的通病。其主要原因是國產(chǎn)芯片起步晚,需要很長時(shí)間的驗(yàn)證和優(yōu)化,以及終端用戶對國產(chǎn)芯片信任感較低。其次國產(chǎn)芯片產(chǎn)品譜系不足,很多國產(chǎn)芯片還是集中在個(gè)別爆款品類及低端產(chǎn)品,要做到全產(chǎn)品譜系,國內(nèi)還有很長的路要摸索。

另外芯片設(shè)計(jì)需要通過流片廠進(jìn)行“試生產(chǎn)”,流片的主要目的是生產(chǎn)5-25片芯片進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證。但是,成本高昂,流片一次的價(jià)格大約在人民幣50萬-100萬左右。同時(shí),中國的流片廠數(shù)量極少,主要只有華潤上華(CSMC)、華虹宏力(HHGrace)、中芯國際這三家企業(yè)。因此,流片廠產(chǎn)能緊張,芯片設(shè)計(jì)企業(yè)很難拿到排期。這也是中國芯片設(shè)計(jì)企業(yè)需要共同面臨的挑戰(zhàn)。

盡管,中國芯片產(chǎn)業(yè)目前從設(shè)計(jì),制造到市場銷售都存在諸多挑戰(zhàn)。但是,我們也期待未來中國各個(gè)芯片相關(guān)企業(yè)能在困局中突圍,真正從原材料,人才,設(shè)備,技術(shù),制造工藝等全方位做到國產(chǎn)替代。