目前,不僅僅是晶圓制造環(huán)節(jié)中光刻機(jī)稀缺,中國(guó)從芯片設(shè)計(jì)到封裝測(cè)試都還有很多步驟和美、日等國(guó)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(cè)試及成品芯片市場(chǎng)銷售端中國(guó)面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)展開(kāi)討論。

　　一、芯片設(shè)計(jì)

　　中國(guó)目前已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體及芯片市場(chǎng)。在市場(chǎng)應(yīng)用的帶動(dòng)下,以及在國(guó)家半導(dǎo)體大基金的扶持下,2018年中國(guó)涌現(xiàn)了超過(guò)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(zhǎng)江存儲(chǔ)、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(guó)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(guó)芯片設(shè)計(jì)公司與國(guó)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(guó)際芯片設(shè)計(jì)企業(yè)營(yíng)收排名第一的高通、第二的博通營(yíng)收為194億美元、177億美元。位列中國(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)營(yíng)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(guó)除了海思半導(dǎo)體的營(yíng)收規(guī)模能與國(guó)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(guó)芯片設(shè)計(jì)初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量眾多且受資本市場(chǎng)追捧,但很多芯片設(shè)計(jì)企業(yè)都是做反向的,通過(guò)Decap即開(kāi)封芯片對(duì)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(lái)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(guó)也有一些企業(yè)專門(mén)提供芯片開(kāi)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(wú)法擺脫對(duì)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(guó)際舞臺(tái)上,不管從市場(chǎng)占有率還是營(yíng)收評(píng)估,臺(tái)積電都遙遙領(lǐng)先其他企業(yè)。中國(guó)現(xiàn)在主要的晶圓制造代工廠是中芯國(guó)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(guó)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(duì)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(jí)多晶硅的產(chǎn)能問(wèn)題是中國(guó)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(guó)LG有機(jī)化學(xué)及中國(guó)臺(tái)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(chǎng)已經(jīng)被來(lái)自日本、德國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的5家供應(yīng)商壟斷了超過(guò)90%的市場(chǎng)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(chǎng)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(hào)的EUV光刻機(jī)每臺(tái)售價(jià)高達(dá)1.1億美元。中國(guó)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(duì)中國(guó)的封鎖禁售。

　　除此之外,光刻機(jī)的采購(gòu)、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(tái)設(shè)備超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件,4萬(wàn)個(gè)螺栓,3000條線路,軟管總長(zhǎng)超過(guò)兩公里。設(shè)備重180噸,單臺(tái)發(fā)貨需要用到40個(gè)貨柜,20輛卡車(chē)以及3架貨機(jī)。在調(diào)試使用光刻機(jī)時(shí),往往需要國(guó)外駐場(chǎng)工程師的參數(shù)調(diào)節(jié)及使用指導(dǎo)。中國(guó)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(guó)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(jiàn),中國(guó)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(guó)需要解決的是如何使用及如何修繕的問(wèn)題;長(zhǎng)期是要解決如何制造的問(wèn)題。

　　三、封裝測(cè)試

　　芯片封裝及測(cè)試是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)鏈中唯一能與國(guó)際企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)節(jié)。

　　目前,中國(guó)封裝測(cè)試市場(chǎng)主要由長(zhǎng)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(cè)試常被人認(rèn)為是芯片技術(shù)門(mén)檻較低的環(huán)節(jié),但是中國(guó)目前在材料端、設(shè)備端、人才等方面都還存在一定問(wèn)題。

　　3.1材料

　　以銀漿固化程序中的銀漿為例,國(guó)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(guó)、日本、荷蘭進(jìn)口為主。以下表格列舉了一些芯片封裝測(cè)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(cè)試生產(chǎn)線需要超過(guò)10個(gè)進(jìn)口設(shè)備,總設(shè)備成本大約在1200萬(wàn)人民幣到1500萬(wàn)人民幣左右。由于,封裝設(shè)備治具的不同,一條封裝測(cè)試線只能封裝一種類型。因此,許多中國(guó)封裝企業(yè)會(huì)購(gòu)買(mǎi)美國(guó)或臺(tái)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(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(shū)(2017-2018)》顯示,2020年,中國(guó)集成電路行業(yè)人才需求規(guī)模約72萬(wàn)人,現(xiàn)有人才存量40萬(wàn),缺口達(dá)32萬(wàn)人。32萬(wàn)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(cè)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(guó)也需要聘請(qǐng)日本,臺(tái)灣等相關(guān)人才。

　　中國(guó)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(chǎng)中,很多珠三角的芯片封裝測(cè)試企業(yè),通過(guò)從日本,臺(tái)灣等地購(gòu)買(mǎi)裸片(晶圓),直接進(jìn)行自主封裝,測(cè)試完成后會(huì)貼上自己品牌或者原廠的標(biāo)簽,標(biāo)榜自己是國(guó)產(chǎn)化替代。終端企業(yè),例如一些特殊部門(mén)為了滿足政策要求的國(guó)產(chǎn)化替代率,也會(huì)購(gòu)買(mǎi)此類產(chǎn)品。

　　總體而言,國(guó)產(chǎn)芯片不僅難生產(chǎn),同樣在市場(chǎng)端售賣(mài)也面臨窘境。這也被看作是國(guó)產(chǎn)芯片企業(yè)面臨的通病。其主要原因是國(guó)產(chǎn)芯片起步晚,需要很長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證和優(yōu)化,以及終端用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片信任感較低。其次國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)品譜系不足,很多國(guó)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(guó)內(nèi)還有很長(zhǎng)的路要摸索。

　　另外芯片設(shè)計(jì)需要通過(guò)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(wàn)-100萬(wàn)左右。同時(shí),中國(guó)的流片廠數(shù)量極少,主要只有華潤(rùn)上華(CSMC)、華虹宏力(HHGrace)、中芯國(guó)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(guó)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)需要共同面臨的挑戰(zhàn)。

　　盡管,中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)目前從設(shè)計(jì),制造到市場(chǎng)銷售都存在諸多挑戰(zhàn)。但是,我們也期待未來(lái)中國(guó)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(guó)產(chǎn)替代。