破解“大國重器”芯片封裝難題 瞄準(zhǔn)第三代半導(dǎo)體 這家企業(yè)為何頻受資本青睞？
作者：羅靈姣 日期：2023-11-28 08:38:53 點(diǎn)擊數(shù)：
隨著新能源車快充技術(shù)日新月異的迭代發(fā)展，新能源汽車時代正在加速到來，30分鐘完成純電汽車充電不再是傳說。但快速充電，考驗著逆變器中功率器件對于高壓大電流的承受能力。一般情況下，為支撐功率器件在高壓大電流工況下具備高可靠性，其封裝材料基本依賴歐美、日本等西方科技強(qiáng)國進(jìn)口。然而從新能源汽車到儲能、光伏等新能源領(lǐng)域，大量的場景需要使用到該材料，龐大的市場缺乏國產(chǎn)的力量，令人扼腕。所幸的是，來自廣州番禺的廣州先藝電子科技有限公司（簡稱“先藝電子”）打破了這一壟斷現(xiàn)狀。先藝電子創(chuàng)始人陳衛(wèi)民畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，以“研發(fā)”為企業(yè)基因，他不僅帶領(lǐng)團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體高可靠性封裝材料國產(chǎn)化，還曾與團(tuán)隊耗時4年攻下國家級單位都未曾突破的高可靠性焊接、封裝材料——金錫焊片，一舉化解“大國重器”芯片封裝被掣肘的尷尬局面。值得一提的是，先藝電子對“高可靠性”封裝技術(shù)的創(chuàng)新腳步從未停息，更多應(yīng)用空間的想象大門逐一被打開。從開啟新能源車自動駕駛、智能座艙的應(yīng)用，到支持未來膠囊機(jī)器人芯片的小型化、衛(wèi)星芯片在外太空極端溫度下的運(yùn)行、手機(jī)紅外芯片的植入、衛(wèi)星激光通信的芯片應(yīng)用等，快人一步的先藝電子正枕戈待旦，迎接黃金時代的到來。2021年年底，是陳衛(wèi)民印象深刻的一段日子。先藝電子迎來了來自國家級投資平臺國家開發(fā)投資集團(tuán)旗下國投創(chuàng)業(yè)的兩個團(tuán)隊，投資團(tuán)隊用一周時間，就完成了對先藝電子的盡職調(diào)查，三個月不到，一筆近億元的資金就被注入到先藝電子的賬戶。據(jù)了解，廣東省不少國資背景的資本機(jī)構(gòu)近期也紛紛找上了陳衛(wèi)民，想對先藝電子進(jìn)行追投，其中就包括廣東省半導(dǎo)體及集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金。這些投資機(jī)構(gòu)熱切關(guān)注的，正是先藝電子針對微電子封裝互連和第三代半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域推出的高可靠性封裝焊料和封裝器件。但如果把時間拉回到20年前，這一聽著就拗口的封裝焊料和器件，幾乎無人問津。“碳化硅芯片在國內(nèi)一直十分火爆，但存在一個巨大的短板，碳化硅晶圓下面的陶瓷載板，沒有人做，一直處于被國外壟斷的狀況。”陳衛(wèi)民舉了個形象的例子，碳化硅晶圓好比“蘋果”，晶圓下面的撐板則是“籃子”，他認(rèn)為，大家都在爭先恐后地“摘蘋果”，而忽略了裝“蘋果”的“籃子”。一番深思熟慮后，果敢的陳衛(wèi)民決定從短板處入手，做出這個“籃子”。“籃子”的底層技術(shù)，是高可靠性的封裝材料。5G、新能源、航空航天等行業(yè)的芯片應(yīng)用，要求芯片可應(yīng)對更大算力、更大功率、更高集成度、更高擊穿場、更復(fù)雜的工況等，這一重任落在了高可靠封裝材料上。實(shí)際上，國內(nèi)希望突破高可靠性的半導(dǎo)體封裝材料的想法由來已久。早前，因光模塊芯片領(lǐng)域的封裝材料被國外壟斷，業(yè)界就頭痛不已。激光芯片是高功率芯片，工作時會產(chǎn)生大量的熱，如果散熱不及時，會嚴(yán)重影響芯片的使用壽命，甚至燒毀芯片。傳統(tǒng)的熱管理材料無法將熱量有效散掉，因此對高可靠的芯片封裝材料提出新的要求。“金屬導(dǎo)熱性好，而且可以勝任長期的高可靠性服役?！标愋l(wèi)民表示，這正是金錫焊片可用于芯片封裝的優(yōu)勢。2003年，陳衛(wèi)民發(fā)現(xiàn)，金錫焊片只有一家美國企業(yè)有能力生產(chǎn)。曾有一家國家級的研究單位嘗試研發(fā)，耗資幾千萬仍舊以失敗告終。“國內(nèi)沒人能做，但這個材料又很關(guān)鍵，眼睜睜看著‘通知性漲價’的進(jìn)口價格，業(yè)界企業(yè)非常痛苦?！标愋l(wèi)民回憶道，正是在這種情況下，他決定必須要做成這件事情。攻克高端技術(shù)，首先面臨的挑戰(zhàn)就是人才。陳衛(wèi)民回到母校，找到了電子封裝的知名專家、國內(nèi)首家電子封裝本科專業(yè)創(chuàng)辦者吳懿平教授，搭建起由高校、國家實(shí)驗室、產(chǎn)業(yè)界人士組成的團(tuán)隊。歷時數(shù)年，團(tuán)隊成功研發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品。不過，如何實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，讓科研成果成為商品，成為另一道門檻。制成金錫焊片，首先是抗氧化的熔煉工藝，團(tuán)隊先后經(jīng)過四年多的時間和數(shù)百個上千個配方的迭代，解決了金錫焊料的熔煉這個“老大難”問題并申請國家發(fā)明專利并獲授權(quán)。其二是金錫焊片的精密成型加工，金錫焊料的性能較脆，延伸率很小，極難加工，特別是芯片封裝需要10-15um的厚度，該厚度相當(dāng)于1/5頭發(fā)絲直徑，困難可想而知。“因為國外封鎖這個加工技術(shù)和裝備，4年時間里團(tuán)隊自行研發(fā)相關(guān)的核心裝備和加工工藝，圖紙不知改了多少遍?！睕]有任何方法可借鑒，沒有現(xiàn)成的裝備可用，還需要耗費(fèi)數(shù)年時間培養(yǎng)團(tuán)隊。對此，陳衛(wèi)民率領(lǐng)團(tuán)隊先是開發(fā)出自己的工藝和裝備，再深究材料機(jī)理難題。經(jīng)過不懈努力，先藝電子團(tuán)隊最終成功實(shí)現(xiàn)了金錫焊片的國內(nèi)第一家商業(yè)化量產(chǎn)，并在公司成立的第二年導(dǎo)入國家大國重器研制單位的合格供應(yīng)商名錄，成功實(shí)現(xiàn)該戰(zhàn)略核心封裝材料的國產(chǎn)替代。乃至后來的金錫焊膏，先藝電子團(tuán)隊也是經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，成為國內(nèi)第一家實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)的公司，成功解決了該領(lǐng)域關(guān)鍵器件的封裝材料長期依靠國外單一供應(yīng)商渠道的局面。回憶起創(chuàng)業(yè)中的一幕幕，陳衛(wèi)民苦笑道，“感覺當(dāng)時的自己有點(diǎn)傻，做新材料很寂寞，也很貴，怎么帶領(lǐng)團(tuán)隊走過創(chuàng)業(yè)初期的死亡地帶，很難，現(xiàn)在回想起來說不定沒有創(chuàng)業(yè)的勇氣了。”在收到來自國投創(chuàng)業(yè)的投資資金后，陳衛(wèi)民曾問過投資人為什么選擇投資先藝電子，投資人動容地回答道，“國投創(chuàng)業(yè)是國家隊的投資機(jī)構(gòu)，要解決半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域的供應(yīng)鏈安全，為國而投，而先藝電子恰恰是高可靠性封裝材料的頭部企業(yè)，憑借原創(chuàng)的精神，解決了大國重器中被壟斷的材料的問題，是行業(yè)不可或缺的力量，所以一定要投資你們！”在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，技術(shù)迭代速度飛快。僅四年時間，芯片制程就從10nm時代進(jìn)入到5nm時代。因此，對于封裝材料企業(yè)而言，生產(chǎn)出國產(chǎn)替代的產(chǎn)品并不意味著從此可以高枕無憂?！爱a(chǎn)業(yè)可能1-2年就迭代出新工藝了，而開發(fā)合適的材料去響應(yīng)迭代的需要，光建個產(chǎn)線就需要3-5年時間，等建完產(chǎn)線，整個世界都已經(jīng)顛覆了，這樣怎么能追趕上產(chǎn)業(yè)迭代的速度呢？”半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)涉及材料、器件、模塊、總成、整機(jī)等環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈長，環(huán)節(jié)繁瑣。陳衛(wèi)民表示，來自終端的需求響應(yīng)越來越快，先藝電子作為器件的上游供應(yīng)商，需要考慮客戶對于供貨速度的緊迫感。另外，終端削減成本的要求隨時往上傳導(dǎo)，甚至一口氣砍掉30%-50%的驚人幅度也不少見，“有些時候面包賣得比面粉便宜，不壓縮成本怎么辦？”為了解決這一難題，先藝電子決定將材料進(jìn)行一個小小的升級。“如果說金錫焊片、金錫焊膏等連接材料是‘大米’，那么接下來我們就要做材料深加工，將‘大米’變成‘熟飯’?！?/strong>陳衛(wèi)民敏銳地意識到，如果單獨(dú)賣連接材料給客戶，客戶還需要配套多種工藝和設(shè)備，何不直接將這幾道流程在材料端完成？于是，先藝電子提出了“焊料集成”這一概念，研發(fā)出“預(yù)置金錫蓋板，金錫薄膜熱沉”。這樣一來，連接封裝就具備便利性、快速性、可靠性和一次性等多種優(yōu)勢。不僅提高了客戶生產(chǎn)中的良品率，其綜合成本也得以下降。值得一提的是，該焊料集成的器件產(chǎn)品的推出，解決了集成電路微組裝的多項困擾。其一，預(yù)置金錫蓋板作為精密級的焊接器件， 金錫焊片集成到鍍金的可伐蓋板上，用戶端省去一道工裝對位的工序，大大提高工作效率和良品率，利于實(shí)現(xiàn)高度集成的封裝工藝，滿足核心器件的服役可靠性需求。其二，金錫薄膜熱沉的圖案化焊料薄膜，解決了光芯片的精密對位和快速貼片，大大提高芯片的貼片精度和加快生產(chǎn)效率。令陳衛(wèi)民頗感意外的是，以金錫焊片為主的預(yù)成型焊片在業(yè)內(nèi)十分的火爆，越來越多的人進(jìn)入了這一行業(yè)，市場愈發(fā)“內(nèi)卷”。而此時此刻，時刻關(guān)注市場需求風(fēng)向標(biāo)的陳衛(wèi)民，再次將目光投向了“第三代半導(dǎo)體的封裝材料”。隨著“雙碳”政策的推出，新能源汽車、風(fēng)電、儲能產(chǎn)業(yè)迎來黃金發(fā)展時代。逆變器是這些領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，以新能源汽車的快充為例，短期內(nèi)完成充電，需要采用1400伏特甚至更高的高壓大電流，這考驗著逆變器的抗沖擊能力。在逆變器中，有一種特殊的覆銅板——AMB陶瓷覆銅板，被日本、歐美企業(yè)所壟斷。這一特殊覆銅板是陶瓷與銅復(fù)合，可耐受高電壓和更高的載流能力。陳衛(wèi)民敏銳地察覺到，新能源產(chǎn)業(yè)將是一個藍(lán)海市場，具有較強(qiáng)的高可靠電子封裝材料原創(chuàng)研發(fā)能力和15年技術(shù)沉淀的先藝電子必須快速切入這個賽道。接下來，先藝電子利用自己研發(fā)的活性焊接材料將銅與陶瓷進(jìn)行了焊接，推出了AMB陶瓷覆銅載板產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)的DBC陶瓷覆銅板，這種產(chǎn)品具有銅層厚、載流能力強(qiáng)、耐受高壓、導(dǎo)熱性能好、抗溫度沖擊性能好、可靠性高等優(yōu)勢，正好匹配第三代半導(dǎo)體碳化硅功率器件的封裝需求。“我們是一個材料制造商，聚焦做高可靠半導(dǎo)體微電子封裝材料，一定要提供深度附加值，只有提高產(chǎn)品附加值，我們的毛利率才會更高，做重復(fù)性的、低價值的材料是沒有多大出路的?！标愋l(wèi)民說道。除了以創(chuàng)新走出技術(shù)迭代的速度，陳衛(wèi)民認(rèn)為，快速響應(yīng)客戶需求，也是企業(yè)核心競爭力之一。先藝電子建立起“新材料研發(fā)中心”和“快速生技工程研發(fā)中心”，快速響應(yīng)外部需求，實(shí)現(xiàn)柔性化制造?！皩?shí)現(xiàn)訂單的快速交付和解決方案，成為客戶的戰(zhàn)略伙伴是不僅僅是供應(yīng)商。”陳衛(wèi)民表示。深耕這一快速迭代的行業(yè)，陳衛(wèi)民緊緊地抓住“快”字?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">一定要做第一名，一定要跑得比競爭對手快，第二名可能都無法生存?！?/strong>快言快語、思路切換飛快，這也是新材料在線?對陳衛(wèi)民的第一印象。作為先藝電子的創(chuàng)始人，除了懂技術(shù)，陳衛(wèi)民更像一個產(chǎn)品經(jīng)理。陳衛(wèi)民的產(chǎn)品開發(fā)想法大抵來自兩個渠道，一個是與客戶的碰撞交流，另一個就是政策的發(fā)布。陳衛(wèi)民養(yǎng)成了看業(yè)界的政策動向、新聞動態(tài)和技術(shù)發(fā)展的習(xí)慣，在他看來，不少最新政策或新行業(yè)格局的變化消息就來自于業(yè)界最新的資訊。最近幾天，“中國高端芯片等半導(dǎo)體集成電路的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料被限制進(jìn)口”的新聞讓他十分關(guān)注，“很多東西是有錢都買不進(jìn)來的，未來高端芯片和相關(guān)芯片的封裝材料對于高可靠性的封裝器件有大量需求，這是政策窗口。”陳衛(wèi)民也關(guān)注國內(nèi)新材料、賽道內(nèi)的差異化的信息?！安荒軆H僅為了研發(fā)而研發(fā)，要能實(shí)實(shí)在在地解決客戶產(chǎn)業(yè)化落地，想辦法將它做成商品，符合產(chǎn)業(yè)的真實(shí)需求?！?/span>無論是第一代的焊料還是第二代的焊料集成，再到第三代的半導(dǎo)體封裝材料，這條產(chǎn)品線的布局，可以說是陳衛(wèi)民對如何解決客戶現(xiàn)實(shí)問題的思考沉淀。“作為研發(fā)型的企業(yè)，我們要完成成熟一代、儲備一代、開發(fā)一代?！?/span>在先藝電子的研發(fā)中心，陳衛(wèi)民如數(shù)家珍的介紹著其研發(fā)設(shè)備，他指著配備的光刻房介紹道，公司已經(jīng)建成的一條4寸的半導(dǎo)體工藝平臺和量產(chǎn)線，研發(fā)團(tuán)隊可在碳化硅和硅晶圓上面正在嘗試鍍膜鈦、鎳、金和焊料薄膜，并用光刻的方法把金錫焊料做成很小的圖案。陳衛(wèi)民表示，先藝電子是國內(nèi)第一家提出圖案化焊料薄膜和焊料集成器件的企業(yè)。焊料薄膜的圖案化，意味著可以導(dǎo)入更多的應(yīng)用場景。比如在紅外鏡頭中，需要采用較大尺寸的紅外芯片，普通紅外芯片的封裝需要打線，而采用精準(zhǔn)的圖案化焊料可以通過倒裝等先進(jìn)封裝工藝實(shí)現(xiàn)器件的集成封裝，大大減少器件的物理尺寸。此外，隨著手機(jī)直通衛(wèi)星的功能推廣，未來不再需要信號基站，手機(jī)的信號發(fā)射依靠內(nèi)部植入的小發(fā)射器，該發(fā)射器配備氮化鎵芯片。而芯片的導(dǎo)熱、高可靠、小型化等封裝等需求，正是先藝電子未來更大的舞臺。在陳衛(wèi)民的眼里，未來是一幅科技感十足的畫面。比如手機(jī)安裝著雷達(dá)，可以互相感知對方的存在；裝有紅外攝像頭的手機(jī)可以在夜晚拍出十分清晰的圖片；衛(wèi)星與衛(wèi)星之間可以激光通信等。實(shí)現(xiàn)這些場景，需要更大功率的芯片，更集成的封裝設(shè)計，更可靠的封裝工藝，這意味著需要更加精密的封裝焊料和焊料集成器件。“如果只是聚焦材料本身，它的天花板就擺在那里，該如何突破這個天花板？抓住終端的需求。”陳衛(wèi)民認(rèn)為，當(dāng)前的新能源汽車市場正在爆發(fā)出強(qiáng)大的潛力，充電模塊、車載傳感器、智能座艙都是先藝電子看好的領(lǐng)域。“我們已經(jīng)進(jìn)入了車規(guī)級的認(rèn)證。”陳衛(wèi)民信心十足。陳衛(wèi)民的戰(zhàn)略目光和布局，也得到了業(yè)界的認(rèn)可?；诘谌雽?dǎo)體高可靠性的封裝技術(shù)和芯片級先進(jìn)封裝材料，先藝電子從4000多名參賽企業(yè)中過關(guān)過關(guān)斬將最后成功獲得11屆和12屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（廣東賽區(qū)）一等獎。談到興奮處，陳衛(wèi)民拿出手機(jī)，秀出一張圖片，這是一張先藝電子嶄新的大樓和廠區(qū)渲染圖，廠區(qū)所在的位置，是廣州市政府在“專精特新聚集區(qū)”為先藝電子劃出的一塊面積達(dá)21畝的土地“先藝電子如今是‘專精特新國家小巨人企業(yè)’，我們接下來將籌建一個近6萬平方米的科技產(chǎn)業(yè)園，繼續(xù)深耕半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，把高可靠封裝材料做專、做深?！?。作為中國經(jīng)濟(jì)總量最大的省份，近年來廣東省高度重視發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推出一系列政策，不惜壕擲千億“補(bǔ)課”，并強(qiáng)調(diào)“全面建設(shè)中國集成電路第三極”。陳衛(wèi)民表示，先藝電子恰好迎合粵港澳大灣區(qū)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略布局，因此也得到了政策的扶持。如今，枕戈待旦的陳衛(wèi)民，只等風(fēng)來。
