破解“大國(guó)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(shí)代正在加速到來(lái)，30分鐘完成純電汽車充電不再是傳說(shuō)。但快速充電，考驗(yàn)著逆變器中功率器件對(duì)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(guó)進(jìn)口。然而從新能源汽車到儲(chǔ)能、光伏等新能源領(lǐng)域，大量的場(chǎng)景需要使用到該材料，龐大的市場(chǎng)缺乏國(guó)產(chǎn)的力量，令人扼腕。所幸的是，來(lái)自廣州番禺的廣州先藝電子科技有限公司（簡(jiǎn)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(duì)實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體高可靠性封裝材料國(guó)產(chǎn)化，還曾與團(tuán)隊(duì)耗時(shí)4年攻下國(guó)家級(jí)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(guó)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(duì)“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(dòng)駕駛、智能座艙的應(yīng)用，到支持未來(lái)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(shí)代的到來(lái)。2021年年底，是陳衛(wèi)民印象深刻的一段日子。先藝電子迎來(lái)了來(lái)自國(guó)家級(jí)投資平臺(tái)國(guó)家開發(fā)投資集團(tuán)旗下國(guó)投創(chuàng)業(yè)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，投資團(tuán)隊(duì)用一周時(shí)間，就完成了對(duì)先藝電子的盡職調(diào)查，三個(gè)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(guó)資背景的資本機(jī)構(gòu)近期也紛紛找上了陳衛(wèi)民，想對(duì)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(duì)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(shí)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(wú)人問津。“碳化硅芯片在國(guó)內(nèi)一直十分火爆，但存在一個(gè)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(guó)外壟斷的狀況。”陳衛(wèi)民舉了個(gè)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(zhēng)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(gè)“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(duì)更大算力、更大功率、更高集成度、更高擊穿場(chǎng)、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(guó)內(nèi)希望突破高可靠性的半導(dǎo)體封裝材料的想法由來(lái)已久。早前，因光模塊芯片領(lǐng)域的封裝材料被國(guó)外壟斷，業(yè)界就頭痛不已。激光芯片是高功率芯片，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果散熱不及時(shí)，會(huì)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(wú)法將熱量有效散掉，因此對(duì)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(zhǎng)期的高可靠性服役。”陳衛(wèi)民表示，這正是金錫焊片可用于芯片封裝的優(yōu)勢(shì)。2003年，陳衛(wèi)民發(fā)現(xiàn)，金錫焊片只有一家美國(guó)企業(yè)有能力生產(chǎn)。曾有一家國(guó)家級(jí)的研究單位嘗試研發(fā)，耗資幾千萬(wàn)仍舊以失敗告終。“國(guó)內(nèi)沒人能做，但這個(gè)材料又很關(guān)鍵，眼睜睜看著‘通知性漲價(jià)’的進(jìn)口價(jià)格，業(yè)界企業(yè)非常痛苦。”陳衛(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(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)界人士組成的團(tuán)隊(duì)。歷時(shí)數(shù)年，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品。不過(guò)，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(duì)先后經(jīng)過(guò)四年多的時(shí)間和數(shù)百個(gè)上千個(gè)配方的迭代，解決了金錫焊料的熔煉這個(gè)“老大難”問題并申請(qǐng)國(guó)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?yàn)閲?guó)外封鎖這個(gè)加工技術(shù)和裝備，4年時(shí)間里團(tuán)隊(duì)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。”沒有任何方法可借鑒，沒有現(xiàn)成的裝備可用，還需要耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)。對(duì)此，陳衛(wèi)民率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(guò)不懈努力，先藝電子團(tuán)隊(duì)最終成功實(shí)現(xiàn)了金錫焊片的國(guó)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(guó)家大國(guó)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(guó)產(chǎn)替代。乃至后來(lái)的金錫焊膏，先藝電子團(tuán)隊(duì)也是經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，成為國(guó)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(zhǎng)期依靠國(guó)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(shí)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(duì)走過(guò)創(chuàng)業(yè)初期的死亡地帶，很難，現(xiàn)在回想起來(lái)說(shuō)不定沒有創(chuàng)業(yè)的勇氣了。”在收到來(lái)自國(guó)投創(chuàng)業(yè)的投資資金后，陳衛(wèi)民曾問過(guò)投資人為什么選擇投資先藝電子，投資人動(dòng)容地回答道，“國(guó)投創(chuàng)業(yè)是國(guó)家隊(duì)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(guó)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(guó)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！”“一定要跑得比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快 第二名可能就無(wú)法生存”
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，技術(shù)迭代速度飛快。僅四年時(shí)間，芯片制程就從10nm時(shí)代進(jìn)入到5nm時(shí)代。因此，對(duì)于封裝材料企業(yè)而言，生產(chǎn)出國(guó)產(chǎn)替代的產(chǎn)品并不意味著從此可以高枕無(wú)憂。“產(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(gè)產(chǎn)線就需要3-5年時(shí)間，等建完產(chǎn)線，整個(gè)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(zhǎng)，環(huán)節(jié)繁瑣。陳衛(wèi)民表示，來(lái)自終端的需求響應(yīng)越來(lái)越快，先藝電子作為器件的上游供應(yīng)商，需要考慮客戶對(duì)于供貨速度的緊迫感。另外，終端削減成本的要求隨時(shí)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(shí)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(gè)小小的升級(jí)。“如果說(shuō)金錫焊片、金錫焊膏等連接材料是‘大米’，那么接下來(lái)我們就要做材料深加工，將‘大米’變成‘熟飯’。”陳衛(wèi)民敏銳地意識(shí)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(lái)，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(shì)。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(xiàng)困擾。其一，預(yù)置金錫蓋板作為精密級(jí)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(duì)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(duì)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(lái)越多的人進(jìn)入了這一行業(yè)，市場(chǎng)愈發(fā)“內(nèi)卷”。而此時(shí)此刻，時(shí)刻關(guān)注市場(chǎng)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(chǔ)能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)黃金發(fā)展時(shí)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(yàn)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(gè)藍(lán)海市場(chǎng)，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(gè)賽道。接下來(lái)，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(shì)，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(gè)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(huì)更高，做重復(fù)性的、低價(jià)值的材料是沒有多大出路的。”陳衛(wèi)民說(shuō)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(jìng)爭(zhēng)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。“實(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。“一定要做第一名，一定要跑得比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手快，第二名可能都無(wú)法生存。”快言快語(yǔ)、思路切換飛快，這也是新材料在線?對(duì)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(gè)產(chǎn)品經(jīng)理。陳衛(wèi)民的產(chǎn)品開發(fā)想法大抵來(lái)自兩個(gè)渠道，一個(gè)是與客戶的碰撞交流，另一個(gè)就是政策的發(fā)布。陳衛(wèi)民養(yǎng)成了看業(yè)界的政策動(dòng)向、新聞動(dòng)態(tài)和技術(shù)發(fā)展的習(xí)慣，在他看來(lái)，不少最新政策或新行業(yè)格局的變化消息就來(lái)自于業(yè)界最新的資訊。最近幾天，“中國(guó)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(lái)的，未來(lái)高端芯片和相關(guān)芯片的封裝材料對(duì)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(guó)內(nèi)新材料、賽道內(nèi)的差異化的信息。“不能僅僅為了研發(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。”無(wú)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(shuō)是陳衛(wèi)民對(duì)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(chǔ)備一代、開發(fā)一代。”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(tái)和量產(chǎn)線，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(guó)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(chǎng)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(guò)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(lái)不再需要信號(hào)基站，手機(jī)的信號(hào)發(fā)射依靠?jī)?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(lái)更大的舞臺(tái)。在陳衛(wèi)民的眼里，未來(lái)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(duì)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(chǎng)景，需要更大功率的芯片，更集成的封裝設(shè)計(jì)，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(gè)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(chǎng)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(jí)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。基于第三代半導(dǎo)體高可靠性的封裝技術(shù)和芯片級(jí)先進(jìn)封裝材料，先藝電子從4000多名參賽企業(yè)中過(guò)關(guān)過(guò)關(guān)斬將最后成功獲得11屆和12屆中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（廣東賽區(qū)）一等獎(jiǎng)。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(guó)家小巨人企業(yè)’，我們接下來(lái)將籌建一個(gè)近6萬(wàn)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(guó)經(jīng)濟(jì)總量最大的省份，近年來(lái)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(guó)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(lái)。
