上接最強(qiáng)的芯片產(chǎn)業(yè)鏈科普，芯片自主可控深度解析（一）

• 刻蝕機(jī)

刻蝕是將晶圓表面不必要的材質(zhì)去除的過程。刻蝕工藝位于光刻之后。

光刻機(jī)用光將掩膜上的電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到硅片上，刻蝕機(jī)把復(fù)制到硅片上的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行微雕，雕刻出溝槽和接觸點(diǎn)，讓線路能夠放進(jìn)去。

按照刻蝕工藝分為干法刻蝕以及濕法刻蝕，干法刻蝕主要利用反應(yīng)氣體與等離子體進(jìn)行刻蝕，濕法刻蝕工藝主要是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進(jìn)行刻蝕。

干法刻蝕在半導(dǎo)體刻蝕中占據(jù)主流，市場(chǎng)占比達(dá)到95%，其[敏感詞]優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性刻蝕，即刻蝕時(shí)可控制僅垂直方向的材料被刻蝕，而不影響橫向材料，從而保證細(xì)小圖形保真性。濕法刻蝕由于刻蝕方向的不可控性，在先進(jìn)制程很容易降低線寬，甚至破壞線路本身，導(dǎo)致芯片品質(zhì)變差。

目前普遍采用多重模板工藝原理，即通過多次沉積、刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)需要的特征尺寸，例如14nm制程所需使用的刻蝕步驟達(dá)到64次，較 28nm提升60%；7nm制程所需刻蝕步驟更是高達(dá)140次，較14nm提升118%。

下圖所示為多次刻蝕原理。

和光刻機(jī)一樣，刻蝕機(jī)的廠商也相對(duì)較少，代表企業(yè)主要是美國(guó)的 Lam Research（泛林半導(dǎo)體）、AMAT（應(yīng)用材料）、日本的TEL（東京電子）等企業(yè)。這三家企業(yè)占據(jù)全球半導(dǎo)體刻蝕機(jī)的94%的市場(chǎng)份額，而其他參與者合計(jì)僅占6%。其中，Lam Research 占比高達(dá)55%，為行業(yè)龍頭，東京電子與應(yīng)用材料分別占比20%和19%。

國(guó)內(nèi)的情況，目前刻蝕設(shè)備代表公司為中微公司、北方華創(chuàng)等。中微公司較為領(lǐng)先，工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到5nm。在全球前十大晶圓企業(yè)中，中微公司已經(jīng)進(jìn)入其中六家，作為臺(tái)積電的合作伙伴協(xié)同驗(yàn)證14nm/7nm/5nm等先進(jìn)工藝。

基于此，如果目前在光刻機(jī)領(lǐng)域我們還無力做出改變，那么已經(jīng)有一定優(yōu)勢(shì)的刻蝕機(jī)勢(shì)必會(huì)成為國(guó)產(chǎn)替代的先鋒。

           

2.2 工藝制程

芯片制造過程需要兩千多道工藝制程，下面，我們按照8大步驟對(duì)芯片制造工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1. 光刻（光學(xué)顯影）

光刻是經(jīng)過曝光和顯影程序，把光罩上的圖形轉(zhuǎn)換到光刻膠下面的晶圓上。光刻主要包含感光膠涂布、烘烤、光罩對(duì)準(zhǔn)、 曝光和顯影等程序。曝光方式包括：紫外線、極紫外光、X射線、電子束等。

2. 刻蝕（蝕刻）

刻蝕是將材料使用化學(xué)反應(yīng)或物理撞擊作用而移除的技術(shù)。干刻蝕（dry etching）利用等離子體撞擊晶片表面所產(chǎn)生的物理作用，或等離子體與晶片表面原子間的化學(xué)反應(yīng)，或者兩者的復(fù)合作用。濕刻蝕（wet etching）使用的是化學(xué)溶液，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)達(dá)到刻蝕的目的。

3. 化學(xué)氣相沉積（CVD）

CVD利用熱能、放電或紫外光照射等化學(xué)反應(yīng)的方式，將反應(yīng)物在晶圓表面沉積形成穩(wěn)定固態(tài)薄膜（film）的一種沉積技術(shù)。CVD技術(shù)在芯片制程中運(yùn)用極為廣泛，如介電材料（dielectrics）、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等材料都能用CVD技術(shù)完成。

4. 物理氣相沉積（PVD）

PVD是物理制程而非化學(xué)制程，一般使用氬等氣體，在真空中將氬離子加速以撞擊濺鍍靶材后，可將靶材原子一個(gè)個(gè)濺擊出來，并使被濺擊出來的材質(zhì)如雪片般沉積在晶圓表面。

5. 離子植入（Ion Implant）

離子植入可將摻雜物以離子型態(tài)植入半導(dǎo)體組件的特定區(qū)域上，以獲得精確的電特性。離子先被加速至足夠能量與速度，以穿透（植入）薄膜，到達(dá)預(yù)定的植入深度。離子植入可對(duì)植入?yún)^(qū)內(nèi)的摻質(zhì)濃度加以精密控制。

6. 化學(xué)機(jī)械研磨（CMP)

化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)具有研磨性物質(zhì)的機(jī)械式研磨與酸堿溶液的化學(xué)式研磨兩種作用，可以使晶圓表面達(dá)到全面性的平坦化，以利后續(xù)薄膜沉積。

7. 清洗

清洗的目的是去除金屬雜質(zhì)、有機(jī)物污染、微塵與自然氧化物；降低表面粗糙度；幾乎所有制程前后都需要清洗。

8. 晶片切割（Die Saw）

晶片切割是將加工完成的晶圓上一顆顆晶粒裸芯片（die）切割分離，便于后續(xù)封裝測(cè)試。

  雖然不同的Foundry廠的流程大致相同，但不同的工藝控制能力造就了各廠家在先進(jìn)制程上的區(qū)別，隨著制程進(jìn)入5nm，能夠量產(chǎn)的芯片制造商就屈指可數(shù)了，目前能夠量產(chǎn)5nm芯片的只有TSMC和SAMSUNG。   兩千多道工藝制程中隱藏著Foundry的無窮的智慧和雄厚的財(cái)力，并不是說有了先進(jìn)的設(shè)備，就能造出合格的芯片。   雖然先進(jìn)制程是技術(shù)發(fā)展的方向，我們也不能忽視成熟制程。成熟制程依然有很大市場(chǎng)份額。下圖是按成熟制程（節(jié)點(diǎn)≥40nm）產(chǎn)能排序的全球晶圓代工廠商Top榜單。

可以看出，成熟制程產(chǎn)能排名前四的廠商分別為：臺(tái)積電（市占率28％），聯(lián)電（13％），中芯國(guó)際（11％），三星（10%）。成熟制程在2020年非常火爆，產(chǎn)能嚴(yán)重短缺，這給各大晶圓代工廠帶來了巨大的商機(jī)。而從2021年的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)來看，這種短缺狀況在近期內(nèi)還難以緩解。

2.3 材料

  生產(chǎn)集成電路的材料有成千上萬種，我們就以最為典型的硅晶圓和光刻膠進(jìn)行分析。

• 硅晶圓
  

硅晶圓是集成電路行業(yè)的糧食，是最主要最基礎(chǔ)的集成電路材料，90%以上的芯片在硅晶圓上制造，目前300mm硅晶圓是芯片制造的主流材料，使用比例超過70%。曾經(jīng)，我國(guó)300mm半導(dǎo)體硅片100%依賴進(jìn)口，是我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)與發(fā)展的主要瓶頸。   全球主要的半導(dǎo)體硅晶圓供應(yīng)商包括日本信越化學(xué)（Shin-Estu）、日本盛高（SUMCO）、德國(guó)Siltronic、韓國(guó)SK Siltron以及中國(guó)臺(tái)灣的環(huán)球晶圓、合晶科技等公司。五大晶圓供貨商的全球市占率達(dá)到了92%，其中日本信越化學(xué)占27%，日本盛高占26%，臺(tái)灣環(huán)球晶圓占17%，德國(guó)Silitronic占13%，韓國(guó)SK Siltron占9%。   下表列出了全球10大硅晶圓提供商，供參考。
 

國(guó)內(nèi)的情況，中國(guó)大陸半導(dǎo)體硅晶圓銷售額年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到41.17%，遠(yuǎn)高于同期全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)的25.75%。但這塊市場(chǎng)并沒有掌握在本土廠商手中，在打造國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈的今天，還有很大的空間供國(guó)內(nèi)晶圓制造商去發(fā)展。

• 光刻膠

光刻膠是光刻過程最重要的耗材，光刻膠的質(zhì)量對(duì)光刻工藝有著重要影響。光刻膠可分為半導(dǎo)體光刻膠、面板光刻膠和PCB光刻膠。其中，半導(dǎo)體光刻膠的技術(shù)壁壘[敏感詞]。   目前全球光刻膠主要企業(yè)有日本合成橡膠（JSR）、東京應(yīng)化（TOK）、信越化學(xué)（ShinEtsu)、富士電子（FUJI）、美國(guó)羅門哈斯（Rohm&Hass）等，市場(chǎng)集中度非常高，所占市場(chǎng)份額超過85%。   下圖顯示的是光刻膠企業(yè)的市場(chǎng)占有率。     高分辨率的半導(dǎo)體光刻膠是半導(dǎo)體化學(xué)品中技術(shù)壁壘[敏感詞]的材料，日美企業(yè)技術(shù)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)企業(yè)二十年至三十年。   從光刻膠技術(shù)水平來看，國(guó)內(nèi)企業(yè)在缺乏經(jīng)驗(yàn)、缺乏專業(yè)技術(shù)人才、缺失關(guān)鍵上游原材料和設(shè)備的條件下，探索出一條自主研發(fā)之路，光刻膠高端技術(shù)短期內(nèi)尚難突破，還要很長(zhǎng)的路要走。在PCB領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)光刻膠具備了一定的量產(chǎn)能力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主流廠商供貨。

    03   

封 裝 測(cè) 試

封裝測(cè)試是集成電路三大產(chǎn)業(yè)中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。 一般認(rèn)為封裝測(cè)試的技術(shù)含量和實(shí)現(xiàn)難度比前兩者低，但是隨著SiP及先進(jìn)封裝技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，需要重新定義芯片的封裝和測(cè)試。   SiP及先進(jìn)封裝在封裝原來的三個(gè)特點(diǎn)：芯片保護(hù)、尺度放大、電氣連接的基礎(chǔ)上，增加了三個(gè)新特點(diǎn)：提升功能密度、縮短互聯(lián)長(zhǎng)度、進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，因此其復(fù)雜程度和實(shí)現(xiàn)難度與傳統(tǒng)的封裝相比有很大程度的提升。   同時(shí)，SiP及先進(jìn)封裝也給封裝測(cè)試提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。  
           

3.1 芯片封裝

我們從封裝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品封裝兩方面來分析芯片封裝。

1）封裝設(shè)計(jì)  

早先的封裝中沒有集成（Integration）的概念，封裝設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的，對(duì)工具要求也很低，Auto CAD就是常用的封裝設(shè)計(jì)工具，隨著MCM、SiP技術(shù)的出現(xiàn)，封裝設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，加上目前SiP、先進(jìn)封裝、Chiplet、異構(gòu)集成概念的市場(chǎng)接受度越來越高，封裝內(nèi)集成的復(fù)雜度和靈活度急劇上升，對(duì)封裝設(shè)計(jì)的要求也越來越高，

SiP和先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)工具目前只有Cadence和 Siemens EDA（Mentor）兩家，Cadence是老牌的封裝設(shè)計(jì)EDA提供商，市場(chǎng)占有率高，用戶的忠誠(chéng)度也比較高。

Siemens EDA（Mentor）是封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的后起之秀，但其技術(shù)先進(jìn)性上則體現(xiàn)了“后浪”的特點(diǎn)。業(yè)界大佬TSMC, Intel, SAMSUNG紛紛選擇Siemens EDA作為其先進(jìn)封裝（HDAP）的[敏感詞]工具，主要在于兩點(diǎn)：先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和強(qiáng)悍的驗(yàn)證工具。

首先我們說說設(shè)計(jì)工具，在一次技術(shù)論壇中，我說：“不同于傳統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)，先進(jìn)封裝和SiP設(shè)計(jì)對(duì)3D環(huán)境要求很高，3D設(shè)計(jì)環(huán)境不在于是否看上去很直觀、絢麗，而在于對(duì)客觀元素的精準(zhǔn)描述，包括鍵合線、腔體、芯片堆疊、硅轉(zhuǎn)接板、2.5D集成、3D集成，Bump...”

在這一點(diǎn)上，Siemens EDA的SiP及先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)工具已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)將其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手拋在身后。下圖為先進(jìn)封裝版圖設(shè)計(jì)工具XPD中的封裝設(shè)計(jì)3D截圖，4組芯片堆疊中，每組5顆芯片（4HBM+1Logic）以3D TSV連接在一起，和GPU一起集成在硅轉(zhuǎn)接板（2.5D TSV）上，硅轉(zhuǎn)接板和電阻、電容等一起集成在封裝基板上。

XPD中的先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)截圖(3D)

該設(shè)計(jì)中包含了3D集成、2.5D集成、倒裝焊、Bump、多基板集成等多種方式，在XPD設(shè)計(jì)環(huán)境中得到了精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。   先進(jìn)封裝驗(yàn)證工具包括電氣驗(yàn)證和物理驗(yàn)證，電氣驗(yàn)證包含80多條規(guī)則，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)完整性、電源完整性、EMI\EMC等電氣相關(guān)的檢查和驗(yàn)證，物理驗(yàn)證則是基于IC驗(yàn)證工具Calibre，整合出Calibre 3D STACK，專門用于3D先進(jìn)封裝的物理驗(yàn)證。   隨著封裝內(nèi)的集成度、設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來越高，對(duì)工具的要求也越來越高，另外，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，封裝設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)的協(xié)同度日益提高，在某種程度上有逐漸融合的趨勢(shì)，因此對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)的要求也日益提升。   關(guān)于SiP、微系統(tǒng)、先進(jìn)封裝的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法和實(shí)際案例，可參考電子工業(yè)出版社近期即將出版的新書： 《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》  
  2）產(chǎn)品封裝   根據(jù)材料和工藝不同，封裝可以分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三種類型。   塑封主要基于有機(jī)基板，多應(yīng)用于商業(yè)級(jí)產(chǎn)品，體積小、重量輕、價(jià)格便宜，具有大批量、低成本優(yōu)勢(shì)，但在芯片散熱、穩(wěn)定性、氣密性方面相對(duì)較差。   陶瓷封裝和金屬封裝則主要基于陶瓷基板，陶瓷封裝一般采用HTCC基板，金屬封裝則多采用LTCC基板，對(duì)于大功耗產(chǎn)品，散熱要求高，可選用氮化鋁基板。   陶瓷封裝特點(diǎn)包括：密封性好，散熱性能良好，對(duì)極限溫度的抵抗性好，容易拆解，便于問題分析；和金屬封裝相比體積相對(duì)小，適合大規(guī)模復(fù)雜芯片，適合航空航天等對(duì)氣密性有要求的嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)用；但價(jià)格昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，重量和體積都比同類塑封產(chǎn)品大。   金屬封裝特點(diǎn)包括：密封性好，散熱性能良好，容易拆解，靈活性高；但體積相對(duì)較大，引腳數(shù)量較少，不適合復(fù)雜芯片，價(jià)格貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要組裝金屬外殼和基板，工序復(fù)雜，多應(yīng)用于MCM設(shè)計(jì)，航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍。   陶瓷封裝和金屬封裝內(nèi)部均為空腔結(jié)構(gòu)，具有可拆解的優(yōu)勢(shì)，便于故障查找和問題“歸零”， 因此受到航空航天等領(lǐng)域用戶的歡迎。

3.2 芯片測(cè)試

芯片測(cè)試的項(xiàng)目非常多，這里我們重點(diǎn)了解一下機(jī)臺(tái)測(cè)試的系統(tǒng)測(cè)試。
 

• 機(jī)臺(tái)測(cè)試

一般是指采用ATE（Automatic Test Equipment）自動(dòng)測(cè)試設(shè)備來進(jìn)行芯片測(cè)試，測(cè)試芯片的基本功能和相應(yīng)的電參數(shù)。 機(jī)臺(tái)可以提供待測(cè)器件DUT（Device Under Test）所需的電源、不同周期和時(shí)序的波形、驅(qū)動(dòng)電平等。   測(cè)試向量（Test Vector）是每個(gè)時(shí)鐘周期應(yīng)用于器件管腳的用于測(cè)試的邏輯1和邏輯0數(shù)據(jù)，是由帶定時(shí)特性和電平特性的波形代表，與波形形狀、脈沖寬度、脈沖邊緣或斜率以及上升沿和下降沿的位置都有關(guān)系。

測(cè)試向量可基于EDA工具的仿真向量（包含輸入信號(hào)和期望的輸出），經(jīng)過優(yōu)化和轉(zhuǎn)換，形成ATE格式的測(cè)試向量。利用EDA工具建立器件模型，通過建立一個(gè)Testbench仿真驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)其提供測(cè)試激勵(lì)，進(jìn)行仿真，驗(yàn)證結(jié)果，將輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)存儲(chǔ)，按照ATE向量格式，生成ATE向量文件。

• 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試也稱為板級(jí)系統(tǒng)測(cè)試，是指模擬芯片真實(shí)的工作環(huán)境，對(duì)芯片進(jìn)行各種操作，確認(rèn)其功能和性能是否正常。   除了機(jī)臺(tái)測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試之外，還需要對(duì)芯片進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和考核，內(nèi)容包括：熱沖擊、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、掃頻震動(dòng)、恒定加速度、鍵合強(qiáng)度、芯片剪切強(qiáng)度、穩(wěn)態(tài)壽命、密封、內(nèi)部水汽含量、耐濕氣等試驗(yàn)。   只有所有的測(cè)試都順利通過了，一顆芯片才能算成功，作為合格的產(chǎn)品應(yīng)用到下一個(gè)環(huán)節(jié)。
 

自主可控總結(jié)

最后，結(jié)合下面表格，我們對(duì)自主可控作一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)。

從表格可以看出，我們?cè)贗C設(shè)計(jì)流程、封裝（SiP）設(shè)計(jì)，以及在產(chǎn)品封裝、芯片測(cè)試環(huán)節(jié)的自主可控程度比較高；在刻蝕機(jī)、芯片工藝制程上有一定的自主可控性，而在EDA，IP，光刻機(jī)，硅晶元，光刻膠等環(huán)節(jié)自主可控的程度非常低，所以高端芯片很容易被“卡脖子”，因?yàn)楦叨诵酒玫降腅DA，IP，光刻機(jī)，硅晶元，光刻膠幾乎全部依賴進(jìn)口。   自主可控相對(duì)較高的IC設(shè)計(jì)流程、封裝（SiP）設(shè)計(jì)也幾乎全部依賴進(jìn)口的EDA工具，在產(chǎn)品封裝和芯片測(cè)試環(huán)節(jié)，封裝設(shè)備和測(cè)試設(shè)備大約80%以上是進(jìn)口設(shè)備；工藝制程上高端芯片同樣也無法自主生產(chǎn)。考慮到這些，不由得讓我們無法盲目樂觀，因?yàn)樵酵搭^挖掘，自主可控的比例就越低。   當(dāng)別人不卡脖子的時(shí)候，不要趾高氣揚(yáng)，似乎一切盡在掌控；當(dāng)別人卡脖子的時(shí)候，不要突然發(fā)現(xiàn)，竟然全身上下都是脖子！
  看完此文，如果以后有人告訴你，他做的芯片實(shí)現(xiàn)了100%的自主可控，我們就可以從上面的環(huán)節(jié)逐個(gè)去分析，一顆芯片從最初的構(gòu)思到最終的產(chǎn)品，所經(jīng)歷的過程中，那些環(huán)節(jié)真正是自主可控的？哪些環(huán)節(jié)依然是要被卡脖子的？
 

只有真正認(rèn)識(shí)到自身的不足，實(shí)事求是，踏踏實(shí)實(shí)，一步一個(gè)腳印，并持之以恒，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中不致落后，從而減少卡脖子事件的發(fā)生！

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