芯片制造追赶国际封装集成技术,是我国半导体产业发展的必然路径

　　“摩尔定律已经苟延残喘，只剩5-6年的寿命。”

　　台湾半导体之父、台积电董事长张忠谋早在2014年就发表演说，认为这条被半导体产业界在50年历史中奉为圭臬的理论即将失效。

　　6年过去，在2020年，有更多的人认同这样的观点。普通人最能体会到的就是，电子消费产品厂商近年来频被吐槽的“挤牙膏”行为。

　　新的iPhone12手机在今年10月发布，但是苹果连续几代产品都没有太大的变化，无非就是处理能力快一点，屏幕大一点，用户对这样的变化已经无感；计算机方面，就连发明摩尔定律的英特尔自己都难以支撑更先进的制程，7nm芯片一再难产，连续几年跳票。

　　如果摩尔定律发展停滞，对于半导体产业的发展打击是巨大的。基于晶体管尺寸微缩的产业引擎熄火以后，整个行业的生态会变得和现在完全不同，彻底成为堆积资金、产能和成本的竞赛。谁的良率最高、成本最低，谁就能拿下最多的订单，同质化的制造技术将压缩利润空间。

　　作为国内集成电路封装行业领军人物之一，厦门云天半导体科技有限公司（以下简称“云天半导体”）总经理于大全认为，先进封装将是撬动半导体产业继续向前的重要杠杆。

　　于大全博士长期从事先进封装技术研究，陆续承担了国家科技重大专项02专项项目和多个国家级课题，先后入选中科院“百人计划”、江苏省双创人才和厦门市双百人才。

　　“芯片制造技术追赶国际先进水平和先进封装与集成技术赶超国际先进水平，是当前我国半导体产业发展的必然路径。”于大全博士领导的团队，也正在这一思路下进行先进封装与集成技术的探索。

　　01超越摩尔定律的天花板

　　1965年，由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这也被称为摩尔定律。

　　这不是一条物理定律，而是一个早期通过观察发现的行业发展规律，后来由人为力量坚强推动的产业进步周期。摩尔定律的发展，反映了集成电路产业从无到有、到支撑起今天整个信息科技的大厦的过程。

　　问世50年后，人们有理由怀疑，摩尔定律是否快走到头了？半导体工艺制造技术水平在以令人目眩的速度提高，晶体管的几何尺寸不可能无限制的缩小下去，总有一天会达到极限。从成本角度看，从14纳米节点后，单个晶体管的制造价格已经开始变高。

　　其制约因素，一是技术：一般认为，器件尺寸做到5纳米以下时，沟道中的载流子行为将要用量子力学的理论来解释，经典物理学的半导体器件理论将失效。实际上集成电路的发展速度已经放缓，面对越发微小的纳米工艺，制造业正在面临物理上的瓶颈。

　　二是经济：建设晶圆厂砸钱堪称疯狂，2000年前后，计划回国的张汝京博士带了14亿美元到上海创建中芯国际，但是根本不够，仅一条晶圆产线就需要10亿美元。而现在，一条高端的晶圆产线，没有上百亿美元下不来，台积电的3纳米产线至少需要150亿美元。

　　由于花不起这笔钱，十多年来不仅没有出现新的竞争玩家，而且越来越多的参与者从先进制程中“出局”。目前，7nm及以下先进制程的玩家，仅剩行业龙头台积电、三星、英特尔等，以及处于技术追赶中的中芯国际。

　　摩尔定律的未来在哪里？中科院王曦院士在内的很多专家学者提出“超越摩尔定律”概念，意指非数字、多元化半导体技术与产品，可以在成熟的工艺生产线上研发，无需遵循摩尔定律，在工艺尺寸上越做越小。

　　同样在张忠谋指出摩尔定律将亡的那场题为Next Big Thing的演讲中，关于什么是半导体产业的Next Big Thing？他点名是物联网，并认为台湾企业要抓住这波商机，首要掌握的就是系统级封装等关键技术。

　　张忠谋表示，透过系统级封装技术，让一颗晶片能够整合更多功能，也更省空间，并且不需要很先进的制程。

　　“随着摩尔定律的放缓，需要通过先进封装和系统集成，去解决电子产品的性价比、性能改善、多功能化等问题。”于大全博士也指出，近年来，先进封装技术在半导体领域发挥的作用越来越大。

　　知名咨询机构Yole预计，2018—2024年，先进封装市场的年复合增长率为8%，预计在2024年达到440亿美元左右，而同一时期，传统封装市场的年复合增长率仅为2.4%。为抢占技术高地，全球主要封测厂、晶圆厂、IDM都在加紧布局先进封装。

　　市场需求的带动下，越来越多超越传统封装理念的先进封装技术被提出，系统级封装（SiP）、晶圆级封装（WLP）、2.5D/3D封装、Chiplet集成等的应用越来越广泛。

　　“半导体头部企业发展重点，逐渐从过去着力于晶圆制造工艺技术节点的推进，转向芯片构架重构和系统封装集成创新。”于大全博士表示，进入“超越摩尔”时代，先进封装集成技术开始扮演愈加重要的角色，基于前道技术能力的“前道封装”开始在高端器件上显现。

　　02纳须弥于芥子的奥妙

　　在电子产业链中，封装环节常常被人忽视，但却一直默默地发挥着关键作用，没有它芯片就无从与外界高效连接、沟通。

　　随着集成电路的飞速发展，封装已不仅仅是把制作好的芯片打包加个“外壳”那么简单，而是涉及到一整套完整流程，从芯片设计之初，就要考虑封装方案，越来越多的芯片级封装，特别是三维高密度封装，涉及到一系列晶圆级工艺、高密度硅基、有机基板制造、三维互连、复杂可靠性和失效分析测试、散热解决方案等等，都是技术含量满满。

　　“5G商用时代迅速到来，5G领域高速、高频的技术特点，以及多种器件异质集成的运用要求，需要多种先进封装技术不断创新发展和综合运用。”于大全博士指出，以云天半导体的重点产品射频前端封装为例，5G智能终端对射频前端器件的需求相比4G产品成倍增长，大量增长的射频器件对更小尺寸的先进封装和系统集成需求强烈。

　　射频前端是终端通信的核心组成器件，具体包括滤波器、LNA（低噪声放大器，Low Noise Amplifier）、PA（功率放大器，PowerAmplifier）、开关、天线调谐。中金公司在研报中预计，2020年全球5G手机销量或将达2.5亿台，并且5G对消费电子产业链最大的增量就是是射频前端等通信元器件，射频前端市场存在较大增长机会。

　　一直以来，云天半导体密切关注5G市场应用，创新开发了多种先进封装及系统集成技术，技术覆盖了从滤波器等射频前端器件三维封装，玻璃通孔技术、三维无源器件技术，以及面向毫米波芯片的扇出集成技术和AiP系统集成方案。

　　据麦姆斯咨询报道，云天半导体团队在玻璃通孔（TGV）技术领域开展了多年研发，探索可规模化量产技术。近两年，成功开发先进激光加工技术，实现了低成本、高效率的玻璃通孔制备，并实现深宽比为10:1的玻璃通孔量产，且具备较好的形貌。云天半导体是目前全球率先建立低成本高密度TGV技术量产能力的企业，处于业界领先地位。

　　既有巨大的市场需求刺激，又是需要储备的先进制造技术，在双重因素驱动下，2020年10月，云天半导体获得过亿元A轮融资。本轮由国投创业领投，浙江银杏谷资本、西安天利投资、新潮科技参与投资，资金将用于云天一期工厂产能扩产及二期工厂启动资金。

　　“目前我们已经构建了面向5G应用的国内稀缺的4/6寸晶圆级三维封装平台，二期工厂投产后公司将具备从4寸到12寸晶圆级封测及系统集成能力，满足不同射频器件产品需求，并且提升产能至2万片/月，满足客户爆发需求。”于大全博士希望，云天半导体通过资金技术投入和科研量产合作，有力地支持我国射频器件国产化进程。

　　03重构价值链摆脱“红皇后”

　　“只有不停地奔跑，才能呆在原地不动。”《爱丽丝梦游仙境》中，红皇后对爱丽丝这样说，“如果你想去别的地方，必须跑得比现在快一倍！”

　　这是管理学界所说的“红皇后效应”。半导体产业链全球化的同时，竞争也在全球化，但是不管有多拼命，相对位置似乎变动不大。

　　曾经国内的LED芯片产业虽然有巨大的经济规模，但是由于创新规模没有跟上，过剩的中低端产能、持续下滑的价格等阴云一直笼罩在厂商的心头。高工产研LED研究所（GGII）研究显示，2019年LED芯片产能过剩严重，稼动率过低，部分企业去库存杀价，价格跌去30-50%，预计未来几年LED产业链将进入低速增长期。

　　我国半导体产业快速发展带来了巨大的经济规模，但是企业的获利能力并没有明显提升，根源就在于企业的创新能力。在摩尔定律放缓的背景下，半导体产业更需要警惕避免陷入像光伏、面板、LED芯片等产业一样的困境。

　　“虽然在半导体产业链中，封测已经是我国最成熟的细分领域之一，全球市场占比已经达到28%，但在中高端市场，我国封装企业的话语权仍然有待提升。”于大全博士认为，接下来需要持续攻关，掌握先进封装技术，做好人才储备、完善产业生态建设，并提升市场响应能力。

　　从科研院所“换道”企业，亲身参与产学研实践，于大全博士对于科技如何实现产业应用，从个人经历中感悟到更深入的体会：“目前，集成电路产业无论从哪一个方向讲，都进入到了创新深水区。创新成本越来越高，投入将越来越大。要降低创新成本，就要进行产业链协同创新，探索科研院所与企业的深入合作，使科研的方向与成果契合产业需求，从而提高全社会的创新效率，进一步解决创新的成本问题。”

　　在5G产业的实现路径上，于大全博士认为，我国大部分半导体厂商都还不具备IDM（全流程一体化的制造商）的真正竞争力，虚拟IDM模式更为合理与有潜力，合作起来能更快速地挤进市场。本次云天半导体接受融资，也有助于上下游的战略互通不断深入，承接半导体产业链的关键一环。

　　业界目前也有类似观点存在，方正证券研报认为，在大国博弈长期存在的背景下，半导体国产替代势在必行，中游制造+下游封测的虚拟IDM模式逐渐成形，成为大陆半导体产业链的基石。
责任编辑：YYX