上接最強的芯片產業鏈科普，芯片自主可控深度解析（一）

• 刻蝕機

刻蝕是將晶圓表面不必要的材質去除的過程。刻蝕工藝位于光刻之后。

光刻機用光將掩膜上的電路結構復制到硅片上，刻蝕機把復制到硅片上的電路結構進行微雕，雕刻出溝槽和接觸點，讓線路能夠放進去。

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氣體與等離子體進行刻蝕，濕法刻蝕工藝主要是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行刻蝕。

干法刻蝕在半導體刻蝕中占據主流，市場占比達到95%，其[敏感詞]優勢在于能夠實現各向異性刻蝕，即刻蝕時可控制僅垂直方向的材料被刻蝕，而不影響橫向材料，從而保證細小圖形保真性。濕法刻蝕由于刻蝕方向的不可控性，在先進制程很容易降低線寬，甚至破壞線路本身，導致芯片品質變差。

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

下圖所示為多次刻蝕原理。

和光刻機一樣，刻蝕機的廠商也相對較少，代表企業主要是美國的 Lam Research（泛林半導體）、AMAT（應用材料）、日本的TEL（東京電子）等企業。這三家企業占據全球半導體刻蝕機的94%的市場份額，而其他參與者合計僅占6%。其中，Lam Research 占比高達55%，為行業龍頭，東京電子與應用材料分別占比20%和19%。

國內的情況，目前刻蝕設備代表公司為中微公司、北方華創等。中微公司較為領先，工藝節點已經達到5nm。在全球前十大晶圓企業中，中微公司已經進入其中六家，作為臺積電的合作伙伴協同驗證14nm/7nm/5nm等先進工藝。

基于此，如果目前在光刻機領域我們還無力做出改變，那么已經有一定優勢的刻蝕機勢必會成為國產替代的先鋒。

           

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大步驟對芯片制造工藝進行簡單介紹。

1. 光刻（光學顯影）

光刻是經過曝光和顯影程序，把光罩上的圖形轉換到光刻膠下面的晶圓上。光刻主要包含感光膠涂布、烘烤、光罩對準、 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反應或物理撞擊作用而移除的技術。干刻蝕（dry etching）利用等離子體撞擊晶片表面所產生的物理作用，或等離子體與晶片表面原子間的化學反應，或者兩者的復合作用。濕刻蝕（wet etching）使用的是化學溶液，經過化學反應達到刻蝕的目的。

3. 化學氣相沉積（CVD）

CVD利用熱能、放電或紫外光照射等化學反應的方式，將反應物在晶圓表面沉積形成穩定固態薄膜（film）的一種沉積技術。CVD技術在芯片制程中運用極為廣泛，如介電材料（dielectrics）、導體或半導體等材料都能用CVD技術完成。

4. 物理氣相沉積（PVD）

PVD是物理制程而非化學制程，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，可將靶材原子一個個濺擊出來，并使被濺擊出來的材質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植入半導體組件的特定區域上，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，到達預定的植入深度。離子植入可對植入區內的摻質濃度加以精密控制。

6. 化學機械研磨（CMP)

化學機械研磨技術具有研磨性物質的機械式研磨與酸堿溶液的化學式研磨兩種作用，可以使晶圓表面達到全面性的平坦化，以利后續薄膜沉積。

7. 清洗

清洗的目的是去除金屬雜質、有機物污染、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，便于后續封裝測試。

  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制程上的區別，隨著制程進入5nm，能夠量產的芯片制造商就屈指可數了，目前能夠量產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力，并不是說有了先進的設備，就能造出合格的芯片。   雖然先進制程是技術發展的方向，我們也不能忽視成熟制程。成熟制程依然有很大市場份額。下圖是按成熟制程（節點≥40nm）產能排序的全球晶圓代工廠商Top榜單。

可以看出，成熟制程產能排名前四的廠商分別為：臺積電（市占率28％），聯電（13％），中芯國際（11％），三星（10%）。成熟制程在2020年非常火爆，產能嚴重短缺，這給各大晶圓代工廠帶來了巨大的商機。而從2021年的產業發展形勢來看，這種短缺狀況在近期內還難以緩解。

2.3 材料

  生產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行分析。

• 硅晶圓
  

硅晶圓是集成電路行業的糧食，是最主要最基礎的集成電路材料，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，我國300mm半導體硅片100%依賴進口，是我國集成電路產業鏈建設與發展的主要瓶頸。   全球主要的半導體硅晶圓供應商包括日本信越化學（Shin-Estu）、日本盛高（SUMCO）、德國Siltronic、韓國SK Siltron以及中國臺灣的環球晶圓、合晶科技等公司。五大晶圓供貨商的全球市占率達到了92%，其中日本信越化學占27%，日本盛高占26%，臺灣環球晶圓占17%，德國Silitronic占13%，韓國SK Siltron占9%。   下表列出了全球10大硅晶圓提供商，供參考。
 

國內的情況，中國大陸半導體硅晶圓銷售額年均復合增長率達到41.17%，遠高于同期全球半導體硅片市場的25.75%。但這塊市場并沒有掌握在本土廠商手中，在打造國產化產業鏈的今天，還有很大的空間供國內晶圓制造商去發展。

• 光刻膠

光刻膠是光刻過程最重要的耗材，光刻膠的質量對光刻工藝有著重要影響。光刻膠可分為半導體光刻膠、面板光刻膠和PCB光刻膠。其中，半導體光刻膠的技術壁壘[敏感詞]。   目前全球光刻膠主要企業有日本合成橡膠（JSR）、東京應化（TOK）、信越化學（ShinEtsu)、富士電子（FUJI）、美國羅門哈斯（Rohm&Hass）等，市場集中度非常高，所占市場份額超過85%。   下圖顯示的是光刻膠企業的市場占有率。     高分辨率的半導體光刻膠是半導體化學品中技術壁壘[敏感詞]的材料，日美企業技術領先國內企業二十年至三十年。   從光刻膠技術水平來看，國內企業在缺乏經驗、缺乏專業技術人才、缺失關鍵上游原材料和設備的條件下，探索出一條自主研發之路，光刻膠高端技術短期內尚難突破，還要很長的路要走。在PCB領域，國產光刻膠具備了一定的量產能力，已經實現對主流廠商供貨。

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封 裝 測 試

封裝測試是集成電路三大產業中的最后一個環節。 一般認為封裝測試的技術含量和實現難度比前兩者低，但是隨著SiP及先進封裝技術的出現和迅速發展，需要重新定義芯片的封裝和測試。   SiP及先進封裝在封裝原來的三個特點：芯片保護、尺度放大、電氣連接的基礎上，增加了三個新特點：提升功能密度、縮短互聯長度、進行系統重構，因此其復雜程度和實現難度與傳統的封裝相比有很大程度的提升。   同時，SiP及先進封裝也給封裝測試提出了新的機遇和挑戰。  
           

3.1 芯片封裝

我們從封裝設計和產品封裝兩方面來分析芯片封裝。

1）封裝設計  

早先的封裝中沒有集成（Integration）的概念，封裝設計是比較簡單的，對工具要求也很低，Auto CAD就是常用的封裝設計工具，隨著MCM、SiP技術的出現，封裝設計變得越來越復雜，加上目前SiP、先進封裝、Chiplet、異構集成概念的市場接受度越來越高，封裝內集成的復雜度和靈活度急劇上升，對封裝設計的要求也越來越高，

SiP和先進封裝設計工具目前只有Cadence和 Siemens EDA（Mentor）兩家，Cadence是老牌的封裝設計EDA提供商，市場占有率高，用戶的忠誠度也比較高。

Siemens EDA（Mentor）是封裝設計領域的后起之秀，但其技術先進性上則體現了“后浪”的特點。業界大佬TSMC, Intel, SAMSUNG紛紛選擇Siemens EDA作為其先進封裝（HDAP）的[敏感詞]工具，主要在于兩點：先進的設計工具和強悍的驗證工具。

首先我們說說設計工具，在一次技術論壇中，我說：“不同于傳統封裝設計，先進封裝和SiP設計對3D環境要求很高，3D設計環境不在于是否看上去很直觀、絢麗，而在于對客觀元素的精準描述，包括鍵合線、腔體、芯片堆疊、硅轉接板、2.5D集成、3D集成，Bump...”

在這一點上，Siemens EDA的SiP及先進封裝設計工具已經遠遠將其競爭對手拋在身后。下圖為先進封裝版圖設計工具XPD中的封裝設計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一起集成在硅轉接板（2.5D TSV）上，硅轉接板和電阻、電容等一起集成在封裝基板上。

XPD中的先進封裝設計截圖(3D)

該設計中包含了3D集成、2.5D集成、倒裝焊、Bump、多基板集成等多種方式，在XPD設計環境中得到了精準的實現。   先進封裝驗證工具包括電氣驗證和物理驗證，電氣驗證包含80多條規則，對整個系統進行信號完整性、電源完整性、EMI\EMC等電氣相關的檢查和驗證，物理驗證則是基于IC驗證工具Calibre，整合出Calibre 3D STACK，專門用于3D先進封裝的物理驗證。   隨著封裝內的集成度、設計復雜度越來越高，對工具的要求也越來越高，另外，在先進封裝領域，封裝設計和芯片設計的協同度日益提高，在某種程度上有逐漸融合的趨勢，因此對協同設計的要求也日益提升。   關于SiP、微系統、先進封裝的詳細設計方法和實際案例，可參考電子工業出版社近期即將出版的新書： 《基于SiP技術的微系統》  
  2）產品封裝   根據材料和工藝不同，封裝可以分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三種類型。   塑封主要基于有機基板，多應用于商業級產品，體積小、重量輕、價格便宜，具有大批量、低成本優勢，但在芯片散熱、穩定性、氣密性方面相對較差。   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，對于大功耗產品，散熱要求高，可選用氮化鋁基板。   陶瓷封裝特點包括：密封性好，散熱性能良好，對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小，適合大規模復雜芯片，適合航空航天等對氣密性有要求的嚴苛環境應用；但價格昂貴，生產周期長，重量和體積都比同類塑封產品大。   金屬封裝特點包括：密封性好，散熱性能良好，容易拆解，靈活性高；但體積相對較大，引腳數量較少，不適合復雜芯片，價格貴，生產周期長，需要組裝金屬外殼和基板，工序復雜，多應用于MCM設計，航空航天領域應用較為普遍。   陶瓷封裝和金屬封裝內部均為空腔結構，具有可拆解的優勢，便于故障查找和問題“歸零”， 因此受到航空航天等領域用戶的歡迎。

3.2 芯片測試

芯片測試的項目非常多，這里我們重點了解一下機臺測試的系統測試。
 

• 機臺測試

一般是指采用ATE（Automatic Test Equipment）自動測試設備來進行芯片測試，測試芯片的基本功能和相應的電參數。 機臺可以提供待測器件DUT（Device Under Test）所需的電源、不同周期和時序的波形、驅動電平等。   測試向量（Test Vector）是每個時鐘周期應用于器件管腳的用于測試的邏輯1和邏輯0數據，是由帶定時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系。

測試向量可基于EDA工具的仿真向量（包含輸入信號和期望的輸出），經過優化和轉換，形成ATE格式的測試向量。利用EDA工具建立器件模型，通過建立一個Testbench仿真驗證平臺，對其提供測試激勵，進行仿真，驗證結果，將輸入激勵和輸出響應存儲，按照ATE向量格式，生成ATE向量文件。

• 系統測試

系統測試也稱為板級系統測試，是指模擬芯片真實的工作環境，對芯片進行各種操作，確認其功能和性能是否正常。   除了機臺測試和系統測試之外，還需要對芯片進行了一系列的試驗和考核，內容包括：熱沖擊、溫度循環、機械沖擊、掃頻震動、恒定加速度、鍵合強度、芯片剪切強度、穩態壽命、密封、內部水汽含量、耐濕氣等試驗。   只有所有的測試都順利通過了，一顆芯片才能算成功，作為合格的產品應用到下一個環節。
 

自主可控總結

最后，結合下面表格，我們對自主可控作一個簡單總結。

從表格可以看出，我們在IC設計流程、封裝（SiP）設計，以及在產品封裝、芯片測試環節的自主可控程度比較高；在刻蝕機、芯片工藝制程上有一定的自主可控性，而在EDA，IP，光刻機，硅晶元，光刻膠等環節自主可控的程度非常低，所以高端芯片很容易被“卡脖子”，因為高端芯片所用到的EDA，IP，光刻機，硅晶元，光刻膠幾乎全部依賴進口。   自主可控相對較高的IC設計流程、封裝（SiP）設計也幾乎全部依賴進口的EDA工具，在產品封裝和芯片測試環節，封裝設備和測試設備大約80%以上是進口設備；工藝制程上高端芯片同樣也無法自主生產。考慮到這些，不由得讓我們無法盲目樂觀，因為越往源頭挖掘，自主可控的比例就越低。   當別人不卡脖子的時候，不要趾高氣揚，似乎一切盡在掌控；當別人卡脖子的時候，不要突然發現，竟然全身上下都是脖子！
  看完此文，如果以后有人告訴你，他做的芯片實現了100%的自主可控，我們就可以從上面的環節逐個去分析，一顆芯片從最初的構思到最終的產品，所經歷的過程中，那些環節真正是自主可控的？哪些環節依然是要被卡脖子的？
 

只有真正認識到自身的不足，實事求是，踏踏實實，一步一個腳印，并持之以恒，才能在激烈的競爭中不致落后，從而減少卡脖子事件的發生！

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