芯片產業主要可以分為芯片設計,晶圓制造,封裝測試三個環節。中國要實現芯片全產業鏈的國產替代,這三個環節中的技術、設備、材料、工藝、人才、資金都不容忽視。

目前,不僅僅是晶圓制造環節中光刻機稀缺,中國從芯片設計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制造中的三個環節:芯片設計、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展開討論。

一、芯片設計

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

雖然,國內芯片設計公司數量眾多,幾乎涉及到各個應用領域中,但必須看到中國芯片設計公司與國際領先的芯片設計公司在盈利水平和設計能力還存在一定差距。

1．1盈利水平

2020年,國際芯片設計企業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。位列中國芯片設計企業營收第一的是海思半導體,盈利大約在963億人民幣左右。中國除了海思半導體的營收規模能與國際前列企業持平之外,其他公司都差距甚遠。

1．2設計能力

據業內專家向億歐透露,雖然目前中國芯片設計初創企業數量眾多且受資本市場追捧,但很多芯片設計企業都是做反向的,通過Decap即開封芯片對正品芯片逐層拍照,提取,分析其中的數據信息,最終獲取芯片的整個集成電路布圖構造,反推芯片的電路設計。

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計出芯片而采取的一種方法。中國也有一些企業專門提供芯片開封技術及服務,例如,芯愿景軟件有限公司。而芯愿景也正是因為無法擺脫對反向設計的依賴,導致科創板IPO阻力重重,最終被駁回。

二、晶圓制造

晶圓制造是芯片生產制造環節中最核心且最復雜的環節。在國際舞臺上,不管從市場占有率還是營收評估,臺積電都遙遙領先其他企業。中國現在主要的晶圓制造代工廠是中芯國際和華虹半導體。晶圓制造的難點可概括為原材料的生產能力限制和制造工藝設備稀缺。

2．1 原材料

受到芯片原材料生產能力限制,中國芯片的晶圓制造在源頭上就存在困境。生產整合芯片的原材料是硅。在從沙子中獲取硅的加工工藝環節,對技術要求較高且復雜繁瑣,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能問題是中國芯片發展道路上的一座高山。

縱觀全球,生產制造原材料單晶硅片的核心技術主要被日本掌握,日本信越化學和SUMCO、韓國LG有機化學及中國臺灣的環球圓晶等都是硅材料方面的知名企業。目前,全球半導體硅片市場已經被來自日本、德國等國家和地區的5家供應商壟斷了超過90%的市場份額。

2．2 制造工藝及其設備

工藝方面提到最多的就是光刻機,因為光刻機是其中最復雜及最核心的工藝設備。此前,全世界能批量生產高端光刻機的廠家只有三家,荷蘭ASML,日本的尼康和佳能。但是,光刻機的研發成本讓尼康和佳能幾乎難以負擔。

目前,ASML廠家占據全球光刻機市場出貨量的90%。在中高端光刻機領域,ASML生產的最高端型號的EUV光刻機每臺售價高達1．1億美元。中國受限于光刻機不僅因為價格高昂,更受制于1996年簽署的《瓦森納協定》對中國的封鎖禁售。

除此之外,光刻機的采購、運輸、調試及使用都存在困難。以最先進的EUV光刻機為例,單臺設備超過10萬個零件,4萬個螺栓,3000條線路,軟管總長超過兩公里。設備重180噸,單臺發貨需要用到40個貨柜,20輛卡車以及3架貨機。在調試使用光刻機時,往往需要國外駐場工程師的參數調節及使用指導。中國不僅缺乏設備,同時,也缺乏設備工程師等專業使用、運維、養護、整修人才。

其實,中國也有自主生產光刻機的企業,業內熟知的是上海微電子裝備(集團)股份有限公司(SMEE),企業生產的600系列光刻機工藝制程在90nm到280nm之間,65nm的光刻機還在研發中。2001年,ASML就獲得了157nm關鍵的光學技術。2010年,上海微電子首次發售概念性工藝節點在180nm到130nm的光刻機。由此可見,中國在光刻機領域的發展比ASML落后了至少10年。

短期內,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業鏈中唯一能與國際企業競爭的環節。

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、晶方科技等企業占據。封裝測試常被人認為是芯片技術門檻較低的環節,但是中國目前在材料端、設備端、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,國產銀導電漿料在導電性能,漿料穩定性方面與進口產品存在差距,使得相當一部分導電漿料仍有依賴于進口。

3．2設備

其中,引線焊接步驟被認為是最難環節,因為引線需要設備極高的穩定性。引線焊接所需要的引線鍵合機(金線機,鋁線機)以美國、日本、荷蘭進口為主。以下表格列舉了一些芯片封裝測試環節常用的設備及其品牌。

業內專家向億歐透露,一條完整的封裝測試生產線需要超過10個進口設備,總設備成本大約在1200萬人民幣到1500萬人民幣左右。由于,封裝設備治具的不同,一條封裝測試線只能封裝一種類型。因此,許多中國封裝企業會購買美國或臺灣淘汰的二手設備,在進行翻新后投產使用,以降低成本投入。

3．3人才

根據《中國集成電路產業人才白皮書(2017-2018)》顯示,2020年,中國集成電路行業人才需求規模約72萬人,現有人才存量40萬,缺口達32萬人。32萬的人才缺口,遍布芯片產業的方方面面,包括設計研發人才、企業管理人才、每道工序的制造人才、封裝工人、設備協調工人等。

在億歐實地走訪調用中,業內專家表示,芯片封裝測試生產線及工廠往往需要配備各個方面專業的人才,包括:

工藝工程師:負責調研設計封裝體,設定治具的要求及確定封裝工藝的參數;

設備工程師:負責執行、調試參數,達到穩產的要求;

操作工:負責點膠、上料等;

質量管理廠務:負責產品質量管理等。

其中,工藝工程師要求較高,早期中國也需要聘請日本,臺灣等相關人才。

中國芯片企業現有模式及整體面臨的挑戰

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

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

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

盡管,中國芯片產業目前從設計,制造到市場銷售都存在諸多挑戰。但是,我們也期待未來中國各個芯片相關企業能在困局中突圍,真正從原材料,人才,設備,技術,制造工藝等全方位做到國產替代。