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我国芯片产业的发展总体上可分为四个阶段,分别是1956-1978年自力更生的初创期、1979-1989年改革开放后的探索发展期、1990-1999年重点建设时期、2000年以来的快速发展时期。

我国的芯片产业链布局

自2000年以来,我国的芯片产业进入了快速发展时期。在该时期内,国家及各级政府从财税、投融资环境、研究开发、进出口、人才等几个方面在国内市场加大了对芯片和相关软件产业的扶持力度,这些举措进一步优化了芯片产业发展环境,培育了一批具有实力和影响力的企业。

我国的芯片产业链布局

民用领域,智能手机、平板电脑、汽车电子、工业控制、仪器仪表以及智能照明、智能家居等物联网市场在消费需求方面刺激民用芯片快速发展。军用领域,武器装备信息化是重点“革命任务”,以军工芯片为代表的核心技术是国防信息化建设过程中亟待发展的技术之一。在国家政策的大力支持下,国内芯片制造企业不断地以多种途径学习国外先进技术及吸纳优秀人才,我国芯片产业得以实现较快发展。从市场规模来看,我国芯片产业除在2009年全球金融危机爆发时出现负增长外,产业销售额一直以较快增速持续增长。


我国芯片产业链上游以原材料供应商、设备供应商为主;中游为芯片产品制造商,具体包括芯片设计、芯片制造及芯片封装与测试,部分军工集团根据自身技术、经济实力等为追求规模效益独自包揽产业链中游的所有或绝大多数环节,即集芯片设计、芯片制造、芯片封装各环节为一体,也称为IDM(Integrated Device Manufacture)模式。而国内多数军用芯片仍以垂直产业链为主,即设计、制造及封测阶段在不同企业进行;军用芯片下游即需求端,主要包含卫星、军机、舰船、军用计算机、导弹、雷达、运载火箭等。

我国的芯片产业链布局

民用芯片大量进口与核心层级军品芯片自给并不矛盾。正如瞭望智库指出,与民用电子元器件90%依靠进口不同,在20余年的高强度投入下,大部分的军用芯片有了突破。虽然中国民用芯片大量进口,但核心层级军工芯片基本上能够实现自给自足。主要原因在于军用芯片和民用芯片有着不同的需求和针对性,以及在西方发达国家一直对华武器禁运的背景下,中国一直高度重视军工芯片自主研发制造。


01.制造材料与设备:产业链中最薄弱的一环


集成电路材料是用于晶圆生产和封装时使用的材料,主要包括晶圆制造过程中所需的硅材料、掩膜、电镀液、铜、铝及一些半导体材料和绝缘材料,封装过程中所需要的封装材料等。

国内集中在6英寸以下的硅晶圆等集成电路生产所需材料的供应已经基本国产化,只有少部分材料企业开始打入国内8英寸、12英寸制造厂,高端关键材料对国外依赖程度高。12寸硅晶圆仍以进口为主。封装材料产业快速发展,本土化率也有所提高。中低档的封装材料,如键合丝、塑封料、普通引线框架本上可以国内供应,但封装中的特殊材料,如导电胶、银浆、新型封装基板还需要进口。

集成电路制造设备是指在制造和封装各种电子产品过程中专门用于基板制备、元器件封装、板级组装、整机系统组装、工艺环境保证、生产过程监控和产品质量保证的设备。集成电路的封装设备与工艺相辅相成,密不可分。制造工艺中所需要主要设备有光刻机、气相沉积设备、刻蚀机、离子注入机、表面处理设备、晶元检测设备等。封装工艺中对应主要设备有研磨机、切割机、贴膜机、点胶机、粘晶机、焊接机、封胶机、电镀机、切筋成形机、测试分选机等。

我国的芯片产业链布局

集成电路设备制造业为晶圆制造业和封装测试业提供生产用的设备。中国集成电路产业不断进步发展,但中国集成电路设备制造业最为薄弱。从我国产业链各环节国产化的难度来看,一般认为各个阶段难度设备>制造>封测>设计。电路设备制造业在中高端市场上基本仍被国外供应商所垄断。

据搜狐网报道,晶圆制造工艺基本上每2年就有一次更新,集成电路设备业也需要跟上这样的节奏;集成电路设备研发周期长,投资额大且风险高;越先进的制程工艺设备造价越高,比如一台ASML的光刻机动辄就是4~5千万美元,而且即使研发成功也较难打入国际大厂的供应链。


02.芯片设计:产业链中最活跃的一环


芯片设计是集成电路产业链中最活跃的环节。近年来,全球集成电路设计业营业收入稳定上升,随着移动智能终端的需求增速放缓,集成电路设计业的增速也随之下降,但是全球集成电路设计业的整体规模和技术水平在不断提升,设计业占半导体产业的比重仍持续稳定在相对较高的水平。集成电路设计技术一般分为数字集成电路设计技术和模拟集成电路设计技术,如下图中所示;设计方法包括全定制、定制、半定制、模块编译、可编程逻辑器件及逻辑单元阵列等。

我国的芯片产业链布局

目前,多数芯片设计公司使用Fabless模式,即无生产线集成电路设计公司的模式,只专注于芯片的研发、设计、销售,而制造、封装、测试的环节分别由不同的专业企业完成。公司按照自身研发流程完成产品设计,通过委外方式完成晶圆制造、芯片封装和测试,最后将芯片产品通过直销或经销方式销售给电子产品生产企业。


03.芯片制造:产业链中最核心的一环


“集成电路产业的本质在于制造业。”国家科技重大专项技术总师、中科院微电子研究所所长叶甜春提出:从两个层面来理解,一是集成电路产业的核心在于制造业,制造业对整个产业链的拉动作用;二是集成电路制造业对整个工业制造业具有的倍增效应。

集成电路制造工业在全球集成电路产业中占比高达58%,具有较高的投资和技术壁垒。建造生产线需要投入大量资金,并且随着技术进步需要不断追加投资。

智能终端需求爆发以来,移动芯片的技术升级速度持续高涨,成为集成电路技术推进的重要动力。通过台积电、三星等几大主流代工厂所发布的近几年的技术路标来看,这种升级的速度未来几年依然不会减慢,2017年制造工艺进入10 nm节点,进入个位数,2018年进入7 nm节点,2020年进入5nm工艺节点。晶圆制造是集成电路制造业的核心,大致分为:制造单晶硅棒(硅锭)-准备晶圆片-晶圆片涂膜-晶圆片的显影和蚀刻-掺杂-晶圆片针测-切割、封装-测试-加工完成。2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》发布之后,国家集成电路产业基金对制造产业重点倾斜,以中芯国际为代表的国内制造企业从中受益并迎来高速发展期。


04.芯片封测:产业链中不可或缺的一环


封装是集成电路制造不可或缺的关键环节。狭义的封装是指将芯片在基板上布局、固定及连接,引出接线端子,用可塑性绝缘介质灌封,形成电子产品的过程。广义的封装可泛指芯片、器件和组件的焊接、电互连和包封,最终使被封装体与基板连接固定形成完整的系统。

集成电路封装的目的是为芯片提供良好的工作环境,保护芯片不受或者少受到外界环境的影响,从而使整个集成电路更好地发挥作用,稳定、可靠、正常地完成电路功能。封装搭建了电路中各个芯片内部与外部电路之间的桥梁,通过将电路及其各种元器件进行安放、固定、键合、互连等等工艺来增强其电热性能。封装应使最终的集成电路具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。

大体上封装工艺流程有着共性,以《集成电路芯片封装技术》中描述TSOP塑料封装为例,实际的工艺流程如下:贴膜——晶圆背面研磨——烘烤——上片——去膜——切割——切割后检查——芯片贴装——打线键合——打线后检查——塑封——塑封后固化——打印(打码)——切筋——电镀——电镀后检查——电镀后烘烤——切筋成形——终测——引脚检查——包装出货。所有工序都涉及多学科的技术结合,使用的设备也都复杂而精密。如此多道工序,集成电路封装工艺的复杂度可见一斑。

从80年代开始,电子产品朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化方向迅速发展,这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求:单位体积信息的提高(高密度化);单位时间处理速度的提高(高速化)。这些要求是促进芯片封装技术发展的最重要的因素。根据市场需求,先后出现了多种多样的封装技术如DIP、QFP、TSOP、BGA、CSP、LGA等。二十一世纪后,晶圆级的3D封装技术是最前沿的封装技术,其系统集成性、立体性更强。总体来说,封装工艺经历了从单一到多元、从平面到立体、从独立芯片封装到系统集成的跨越式发展过程。封装工艺使得集成电路的体积越来越小,越来越轻便,集成电路自身也越来越可靠,以适应终端成品小型化轻量化的市场需求。


05.结论


(1)国外芯片的可得性不断降低以及军方整机厂对于核心元器件国产化率要求不断提高,一些模块供应商切入元器件核心领域,投入到核心芯片的研发设计。


(2)核心元器件国产化刻不容缓。要求做到"四个自主可控,两个不受制于人",即知识产权自主可控、能力水平自主可控、发展自主可控、供应链自主可控、具备“国产”资质、利润不受制于人。

(3)在核心元器件层面,军工芯片或可成为芯片国产化的突破口。在模块层级,看好将完整系统集成在一块芯片的SoC技术和将多个芯片及器件封装在一起的SIP技术;在元器件层级,应用广泛、国产化难度很大的FPGA是未来急需突破的主要方向。

来源:仰山智库


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