破解“大國重器”芯片封裝難題 瞄準第三代半導體 這家企業為何頻受資本青睞？
作者：羅靈姣 日期：2023-11-28 08:38:53 點擊數：
隨著新能源車快充技術日新月異的迭代發展，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、日本等西方科技強國進口。然而從新能源汽車到儲能、光伏等新能源領域，大量的場景需要使用到該材料，龐大的市場缺乏國產的力量，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”）打破了這一壟斷現狀。先藝電子創始人陳衛民畢業于華中科技大學材料科學與工程專業，以“研發”為企業基因，他不僅帶領團隊實現第三代半導體高可靠性封裝材料國產化，還曾與團隊耗時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”封裝技術的創新腳步從未停息，更多應用空間的想象大門逐一被打開。從開啟新能源車自動駕駛、智能座艙的應用，到支持未來膠囊機器人芯片的小型化、衛星芯片在外太空極端溫度下的運行、手機紅外芯片的植入、衛星激光通信的芯片應用等，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投資集團旗下國投創業的兩個團隊，投資團隊用一周時間，就完成了對先藝電子的盡職調查，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。據了解，廣東省不少國資背景的資本機構近期也紛紛找上了陳衛民，想對先藝電子進行追投，其中就包括廣東省半導體及集成電路產業投資基金。這些投資機構熱切關注的，正是先藝電子針對微電子封裝互連和第三代半導體封裝等領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，果敢的陳衛民決定從短板處入手，做出這個“籃子”。“籃子”的底層技術，是高可靠性的封裝材料。5G、新能源、航空航天等行業的芯片應用，要求芯片可應對更大算力、更大功率、更高集成度、更高擊穿場、更復雜的工況等，這一重任落在了高可靠封裝材料上。實際上，國內希望突破高可靠性的半導體封裝材料的想法由來已久。早前，因光模塊芯片領域的封裝材料被國外壟斷，業界就頭痛不已。激光芯片是高功率芯片，工作時會產生大量的熱，如果散熱不及時，會嚴重影響芯片的使用壽命，甚至燒毀芯片。傳統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。“金屬導熱性好，而且可以勝任長期的高可靠性服役。”陳衛民表示，這正是金錫焊片可用于芯片封裝的優勢。2003年，陳衛民發現，金錫焊片只有一家美國企業有能力生產。曾有一家國家級的研究單位嘗試研發，耗資幾千萬仍舊以失敗告終。“國內沒人能做，但這個材料又很關鍵，眼睜睜看著‘通知性漲價’的進口價格，業界企業非常痛苦。”陳衛民回憶道，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，首先面臨的挑戰就是人才。陳衛民回到母校，找到了電子封裝的知名專家、國內首家電子封裝本科專業創辦者吳懿平教授，搭建起由高校、國家實驗室、產業界人士組成的團隊。歷時數年，團隊成功研發出了相關產品。不過，如何實現批量化生產，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，團隊先后經過四年多的時間和數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”問題并申請國家發明專利并獲授權。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，該厚度相當于1/5頭發絲直徑，困難可想而知。“因為國外封鎖這個加工技術和裝備，4年時間里團隊自行研發相關的核心裝備和加工工藝，圖紙不知改了多少遍。”沒有任何方法可借鑒，沒有現成的裝備可用，還需要耗費數年時間培養團隊。對此，陳衛民率領團隊先是開發出自己的工藝和裝備，再深究材料機理難題。經過不懈努力，先藝電子團隊最終成功實現了金錫焊片的國內第一家商業化量產，并在公司成立的第二年導入國家大國重器研制單位的合格供應商名錄，成功實現該戰略核心封裝材料的國產替代。乃至后來的金錫焊膏，先藝電子團隊也是經過多年的技術攻關，成為國內第一家實現商業化量產的公司，成功解決了該領域關鍵器件的封裝材料長期依靠國外單一供應商渠道的局面。回憶起創業中的一幕幕，陳衛民苦笑道，“感覺當時的自己有點傻，做新材料很寂寞，也很貴，怎么帶領團隊走過創業初期的死亡地帶，很難，現在回想起來說不定沒有創業的勇氣了。”在收到來自國投創業的投資資金后，陳衛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，“國投創業是國家隊的投資機構，要解決半導體集成電路領域的供應鏈安全，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，憑借原創的精神，解決了大國重器中被壟斷的材料的問題，是行業不可或缺的力量，所以一定要投資你們！”在半導體產業，技術迭代速度飛快。僅四年時間，芯片制程就從10nm時代進入到5nm時代。因此，對于封裝材料企業而言，生產出國產替代的產品并不意味著從此可以高枕無憂。“產業可能1-2年就迭代出新工藝了，而開發合適的材料去響應迭代的需要，光建個產線就需要3-5年時間，等建完產線，整個世界都已經顛覆了，這樣怎么能追趕上產業迭代的速度呢？”半導體產業涉及材料、器件、模塊、總成、整機等環節，產業鏈長，環節繁瑣。陳衛民表示，來自終端的需求響應越來越快，先藝電子作為器件的上游供應商，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，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’。”陳衛民敏銳地意識到，如果單獨賣連接材料給客戶，客戶還需要配套多種工藝和設備，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，研發出“預置金錫蓋板，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勢。不僅提高了客戶生產中的良品率，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品的推出，解決了集成電路微組裝的多項困擾。其一，預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，利于實現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效率。令陳衛民頗感意外的是，以金錫焊片為主的預成型焊片在業內十分的火爆，越來越多的人進入了這一行業，市場愈發“內卷”。而此時此刻，時刻關注市場需求風向標的陳衛民，再次將目光投向了“第三代半導體的封裝材料”。隨著“雙碳”政策的推出，新能源汽車、風電、儲能產業迎來黃金發展時代。逆變器是這些領域的關鍵器件，以新能源汽車的快充為例，短期內完成充電，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、歐美企業所壟斷。這一特殊覆銅板是陶瓷與銅復合，可耐受高電壓和更高的載流能力。陳衛民敏銳地察覺到，新能源產業將是一個藍海市場，具有較強的高可靠電子封裝材料原創研發能力和15年技術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的活性焊接材料將銅與陶瓷進行了焊接，推出了AMB陶瓷覆銅載板產品。相比傳統的DBC陶瓷覆銅板，這種產品具有銅層厚、載流能力強、耐受高壓、導熱性能好、抗溫度沖擊性能好、可靠性高等優勢，正好匹配第三代半導體碳化硅功率器件的封裝需求。“我們是一個材料制造商，聚焦做高可靠半導體微電子封裝材料，一定要提供深度附加值，只有提高產品附加值，我們的毛利率才會更高，做重復性的、低價值的材料是沒有多大出路的。”陳衛民說道。除了以創新走出技術迭代的速度，陳衛民認為，快速響應客戶需求，也是企業核心競爭力之一。先藝電子建立起“新材料研發中心”和“快速生技工程研發中心”，快速響應外部需求，實現柔性化制造。“實現訂單的快速交付和解決方案，成為客戶的戰略伙伴是不僅僅是供應商。”陳衛民表示。深耕這一快速迭代的行業，陳衛民緊緊地抓住“快”字。“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。”快言快語、思路切換飛快，這也是新材料在線?對陳衛民的第一印象。作為先藝電子的創始人，除了懂技術，陳衛民更像一個產品經理。陳衛民的產品開發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布。陳衛民養成了看業界的政策動向、新聞動態和技術發展的習慣，在他看來，不少最新政策或新行業格局的變化消息就來自于業界最新的資訊。最近幾天，“中國高端芯片等半導體集成電路的關鍵戰略材料被限制進口”的新聞讓他十分關注，“很多東西是有錢都買不進來的，未來高端芯片和相關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。”陳衛民也關注國內新材料、賽道內的差異化的信息。“不能僅僅為了研發而研發，要能實實在在地解決客戶產業化落地，想辦法將它做成商品，符合產業的真實需求。”無論是第一代的焊料還是第二代的焊料集成，再到第三代的半導體封裝材料，這條產品線的布局，可以說是陳衛民對如何解決客戶現實問題的思考沉淀。“作為研發型的企業，我們要完成成熟一代、儲備一代、開發一代。”在先藝電子的研發中心，陳衛民如數家珍的介紹著其研發設備，他指著配備的光刻房介紹道，公司已經建成的一條4寸的半導體工藝平臺和量產線，研發團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。陳衛民表示，先藝電子是國內第一家提出圖案化焊料薄膜和焊料集成器件的企業。焊料薄膜的圖案化，意味著可以導入更多的應用場景。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，而采用精準的圖案化焊料可以通過倒裝等先進封裝工藝實現器件的集成封裝，大大減少器件的物理尺寸。此外，隨著手機直通衛星的功能推廣，未來不再需要信號基站，手機的信號發射依靠內部植入的小發射器，該發射器配備氮化鎵芯片。而芯片的導熱、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。在陳衛民的眼里，未來是一幅科技感十足的畫面。比如手機安裝著雷達，可以互相感知對方的存在；裝有紅外攝像頭的手機可以在夜晚拍出十分清晰的圖片；衛星與衛星之間可以激光通信等。實現這些場景，需要更大功率的芯片，更集成的封裝設計，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。”陳衛民認為，當前的新能源汽車市場正在爆發出強大的潛力，充電模塊、車載傳感器、智能座艙都是先藝電子看好的領域。陳衛民的戰略目光和布局，也得到了業界的認可。基于第三代半導體高可靠性的封裝技術和芯片級先進封裝材料，先藝電子從4000多名參賽企業中過關過關斬將最后成功獲得11屆和12屆中國創新創業大賽（廣東賽區）一等獎。談到興奮處，陳衛民拿出手機，秀出一張圖片，這是一張先藝電子嶄新的大樓和廠區渲染圖，廠區所在的位置，是廣州市政府在“專精特新聚集區”為先藝電子劃出的一塊面積達21畝的土地“先藝電子如今是‘專精特新國家小巨人企業’，我們接下來將籌建一個近6萬平方米的科技產業園，繼續深耕半導體集成電路領域，把高可靠封裝材料做專、做深。”。作為中國經濟總量最大的省份，近年來廣東省高度重視發展半導體產業，推出一系列政策，不惜壕擲千億“補課”，并強調“全面建設中國集成電路第三極”。陳衛民表示，先藝電子恰好迎合粵港澳大灣區在半導體產業的戰略布局，因此也得到了政策的扶持。
