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作者 | 吳優
出品 | 雷鋒網產業組
一直以來我國集成電路產業發展都飽受“缺芯”困擾，在高端芯片領域尤為突出。近幾年我國芯片進口額依然年年攀升，2020年中國各類芯片總額高到3800億美元，國產芯片的高端替代迫在眉睫。
來源：華封科技官網
國內在芯片制造環節的短板引發了廣泛關注，但在關注度不高的封測環節，已經全球領先。
根據拓墣產業研究院2020年第三季度全球十大封測業營收排名，中國大陸有三家封測廠位列其中，江蘇長電、通富微電和天水華天分別位列全球第3、第6、第7。
那么“大陸芯”封測環節的成功是否能夠被復制在芯片生產的其他環節？封測優勢能為實力偏弱的先進芯片制造工藝補位嗎？
大陸封測“四巨頭”，并購獲得先進封裝技術
按照芯片的生產流程，封裝測試位于芯片設計和制造之后，它通過各種方式為芯片裸片裝上一個外殼，發揮密封和保護作用，更為重要的是能夠連接芯片內部世界與外部電路，搭建起溝通橋梁。
“封裝主要有兩大功能，第一是通過某種精細的方式導出芯片上的電信號，第二是通過某種方式保護芯片裸片，同時不影響其散熱性能，因此封測行業的發展路徑比較清晰，芯片需要做小，引線結構需要改變。”劉宏鈞解釋道。
一般而言，芯片面積與封裝面積之比越接近1，封裝效率就越高，也代表封裝技術更先進。因此，芯片封裝經歷了引腳連接（DIP）、引線連接（QFP）、表面貼裝（PAG）、焊球封裝（BAG）等發展階段，如今進入3D封裝時代。
半導體封裝技術發展路線圖
在3D封裝中，晶圓級封裝（WLP）在高端應用中經常被使用，系統級封裝（SIP）尚未大規模普及。
大陸封測廠通過前期追趕傳統封裝以及行業前瞻性，如今在先進封裝取得不少進展。“以前大陸封測廠倒裝技術、晶圓級封裝技術都比較落后，最近幾年先進封裝技術發展很快，能夠滿足絕大部分用戶的產品需求，特別是長電、華天和通富的晶圓級封裝、倒裝型封裝都有很大的進步。”廈門大學特聘教授于大全博士向雷鋒網表示。
據了解，長電科技擁有WLP、2.5D/3D封裝技術，還擁有SIP封裝、高性能的Flip Chip和引線互聯封裝技術，華天科技芯片封裝產品豐富，自主研發出FC、Bumping、MEMS、MCM（MCP）、WLP、SiP、TSV、Fan-Out等多項集成電路先進封裝技術和產品，通富微同樣是兼具傳統封測和部分先進封測技術，晶方科技側重影像傳感器的晶圓級封裝技術，且其CMOS影像傳感器晶圓級封裝技術位于世界前沿。
不過，在大陸封測廠已有的先進封裝技術中，有很大一部分是從國外引進或通過并購獲得的，缺乏自主研發的變革性技術。
晶方科技副總經理劉宏鈞告訴雷鋒網，CMOS影像傳感器晶圓級封裝技術（WLCSP）是晶方科技在2005年成立時從以色列引進的新技術，之前傳感器的封裝大部分采用類似組裝的方式而不是先進封裝，因此這一技術是在中國大陸乃至全世界都是比較先進的技術。
晶方科技之所以會引入這一先進封裝，是基于整個行業對封裝未來發展方向的共識。
長電科技也在2015年初通過并購在全球半導體行業排名第四的星科金朋，以此來獲得高壁壘的封測核心技術。
雷鋒網了解到，如今已成為長電科技子公司的星科金朋主要負責高端產品線，擁有倒裝（FC）和系統級封裝（SiP）技術，以及世界一流的晶圓級封裝服務。
值得注意的是，即使是大陸封測廠可以通過并購獲得先進封裝技術，也與臺積電的先進封裝技術存在一定的差距。“長電科技的先進封裝，比如圓片級扇入、扇出型技術，目前可以用在很多主流產品上。但與臺積電用在蘋果處理器上的三維扇出型技術（InFO）、用于高性能計算的2.5D 集成技術（CoWoS）相比，目前大陸的封測廠技術上還有較大差距。”于大全說。
華封科技聯合創始人王宏波也告訴雷鋒網，中國大陸封測廠與中國臺灣的封測廠存在代差。華封科技是半導體領域近期顯露頭角的“黑馬”，七年時間躋身全球先進封裝設備供應商前三強，主要為半導體先進封裝提供貼片機、晶圓級封裝機等設備。
“中國臺灣的先進封裝發展得更快，所以我們前兩年的精力和客戶主要是在臺灣，不過從去年開始大陸的先進封裝也在往前推進了，我們的北京分公司基本從去年開始運轉并開始有市場拓展，如今通富微已經開始批量采購我們的設備，另外，大陸其他封測公司也在陸續與我們接洽”。王宏波表示。
可控性強，大陸先進封裝比先進制程更具后發優勢
“大陸封測廠突破性的技術雖然不是很多，但在改進型技術方面表現良好，包括傳統封裝中的QFP技術，以及比較先進的SiP方面的嘗試，都有在原有的基礎上提高效率、降低成本，拓寬原有的邊界。”劉宏鈞表示。
劉宏鈞還認為，大陸封測廠體量已經較大，等到體量規模到達一定程度后，還會在變革性技術方面做進一步嘗試。
這也是為什么大陸封測廠即使在先進封裝方面與臺積電等廠商存在一定的差距，市場排名也能夠擠進前十的原因。此外，歷史宏觀條件和大陸封測廠“硬件”需求的發展情況，也推動了大陸封測廠的發展。
劉宏鈞從歷史宏觀的角度分析了大陸封測成績突出原因，他認為可以將其概括為“天時地利人和”。“天時”是指大陸封測廠發展之時恰逢產業轉移；“地利”是指亞太地區在過去二十年都是電子制造產業鏈的聚集度，中國正好處于聚集地的中心位置，同時也是電子產品的消費中心；“人和”是指大陸不缺封測行業所需人力資源以及國家推出一系列產業政策助力。
半導體封測材料公司廣州先藝的工程師王捷補充了另外兩個原因，“一方面封測行業的門檻低于半導體制造，相應地也更容易實現突破，見到成效；另一方面國內封測行業有良好的產業基礎和一定的技術積累，同時能充分發揮產業鏈的成本優勢。”
另外，在芯片封測所需的材料和設備方面，雖然在高端領域與國際水平存在一定的差距，但相比芯片設計和制造環節，有更高的可控性。
于大全認為，大陸封測廠在推動國產裝備和材料應用方面表現良好。設備方面，減薄、劃片、引線鍵合、圓片塑封等與國外還有一定差距，但晶圓級封裝所需要用到的光刻機、電鍍機、涂膠顯影的等設備在國內的發展勢頭良好，已經逐步取代國外設備。材料方面，先進光刻膠、聚酰亞胺、底部填充膠、高端塑封料等還不能滿足量產需求，部分低端光刻膠、電鍍液、臨時鍵合膠等材料已經開始應用。“整體看來，封裝技術、裝備材料進步都很明顯，在逐步實現自主化。”
芯片制造與芯片封測所需設備的可控性，也可以從兩者都需要用到的光刻機這一設備上得以體現。
根據王宏波的介紹，2.5D或3D封裝過程中，會有一層用于連接功能的硅片，需要用到光刻機將一些邏輯芯片放在這一硅片上，但只是用來完成一些簡單的連接，因此只需要達到微米級的精度，目前這一精度需求的光刻機我國已經能夠自主生產。
封測材料方面，王捷說：“如果是一款全新的先進封裝材料，開發出來的驗證周期長，需要做大量工作，基本是國際大公司在做，國內公司開發新材料的實力不算很強，但在進口替代方面，大部分中低端材料國內都有一些生產鏈，例如光電封裝需要用到的載板，基本被國外壟斷，國內雖然有一定的進展，但所占份額小，品質存在一定差距。”
“再比如用量較大的焊料產品，國內很多廠商都在做，低端產品已基本能夠滿足自產自銷，高端產品主要依靠國外進口。”王捷補充道。
另外，一位材料專家曾介紹，光刻膠這樣的化工產品有許多配方，關鍵是配方要一個個去試，只要花時間、人力和投入資源，是可以做出來的，并非無法克服。
由此可以看到，在材料、設備等硬件條件方面，大陸芯片封測廠發展先進封裝比大陸芯片設計廠或晶圓廠發展先進的工藝制程具有天然的低門檻優勢，而這一優勢也使得大陸封測廠在設備和材料的驗證方面有更大的空間，因此形成“優勢富集效應”。
“大陸封裝廠愿意也有能力去嘗試研發一些新技術、新產品，具有一定的創新精神和推動全行業發展的思想，這是因為大陸封測廠目前的體量足夠大，有能力去支持裝備和材料的發展。”
“封測有聯盟組織上的優勢，國家科技重大專項02專項以前也有組織過幾次對設備和材料應用的驗證工程，對整個行業都有很大的促進作用。”于大全說。
相比較而言，國內芯片制造由于本身的制程落后，處于追趕階段，可創新空間小，很難大規模推動國產裝備和材料做出驗證。目前中美關系緊張，迫使國內制造企業加速了國產裝備和材料的國產化進程。
那么，大陸先進封裝的優勢該如何轉化到先進工藝制程上？
制造與封裝融合成趨勢，先進制程“瓶頸”封裝來破
發揮大陸芯封測環節的優勢，必然不是生搬硬套封測環節的成功經驗。
“如果打一個通俗易懂的比方來形容芯片設計、制造和封測，它們有點像一部高質量的電影需要演技精湛的演員、技藝高超的化妝師和優秀的導演、編劇和劇本。”劉宏鈞說。
雷鋒網此前文章《5nm芯片集體“翻車”，先進制程的尷尬》指出：無論是芯片設計廠商還是制造廠商，遵循摩爾定律發展到5nm及以下的先進制程，除了需要打破技術上的瓶頸，還需要有巨大的資本作為支撐，熬過研發周期和測試周期，為市場提供功耗和性能均有改善的芯片最終進入回報期。
單純依靠芯片設計制造工藝提升來推進先進制程可能無法延續摩爾定律，或許可以嘗試用先進封裝技術解決芯片設計與制造所面臨的瓶頸。
如果依然用演員、編劇打比方，也就意味著雙方最終的目的都是為創作一部精彩的電影，演員雖然無法改變整體劇情，但可以在具體的場景中設計一些細節為電影加分。
在Semicon China 2021上，中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明在演講中提到，芯片制造與芯片封裝相結合，也可以做到用65nm工藝制程實現40nm的工藝制程的性能功耗要求。
近兩年比較熱門的Chiplet（也叫小芯片或芯粒）就是依靠芯片封裝的優勢來彌補芯片設計與制造方面不足的經典案例，“Chiplet技術可以將一個復雜系統芯片轉變成好幾個小芯片進行組合對接，形成系統功能，可以通過芯片集成來實現高性能。”于大全說道。
Chiplet因占據面積較小且通常選擇成熟工藝進行制造和集成，能夠有效提高良率并降低開發和驗證成本，滿足現今高效能運算處理器需求，且已經應用在多個領域。
“但Chiplet實現起來也并不簡單，需要芯片設計和制造一起協同工作才行。”于大全補充道。
芯片設計制造與封測之間開始融合，未來的大陸晶圓廠可能也會像臺積電一樣，進軍先進封裝。
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