破解“大国重器”芯片封装难题 瞄准第三代半导体 这家企业为何频受资本青睐？
作者：罗灵姣 日期：2023-11-28 08:38:53 点击数：
随着新能源车快充技术日新月异的迭代发展，新能源汽车时代正在加速到来，30分钟完成纯电汽车充电不再是传说。但快速充电，考验着逆变器中功率器件对于高压大电流的承受能力。一般情况下，为支撑功率器件在高压大电流工况下具备高可靠性，其封装材料基本依赖欧美、日本等西方科技强国进口。然而从新能源汽车到储能、光伏等新能源领域，大量的场景需要使用到该材料，庞大的市场缺乏国产的力量，令人扼腕。所幸的是，来自广州番禺的广州先艺电子科技有限公司（简称“先艺电子”）打破了这一垄断现状。先艺电子创始人陈卫民毕业于华中科技大学材料科学与工程专业，以“研发”为企业基因，他不仅带领团队实现第三代半导体高可靠性封装材料国产化，还曾与团队耗时4年攻下国家级单位都未曾突破的高可靠性焊接、封装材料——金锡焊片，一举化解“大国重器”芯片封装被掣肘的尴尬局面。值得一提的是，先艺电子对“高可靠性”封装技术的创新脚步从未停息，更多应用空间的想象大门逐一被打开。从开启新能源车自动驾驶、智能座舱的应用，到支持未来胶囊机器人芯片的小型化、卫星芯片在外太空极端温度下的运行、手机红外芯片的植入、卫星激光通信的芯片应用等，快人一步的先艺电子正枕戈待旦，迎接黄金时代的到来。2021年年底，是陈卫民印象深刻的一段日子。先艺电子迎来了来自国家级投资平台国家开发投资集团旗下国投创业的两个团队，投资团队用一周时间，就完成了对先艺电子的尽职调查，三个月不到，一笔近亿元的资金就被注入到先艺电子的账户。据了解，广东省不少国资背景的资本机构近期也纷纷找上了陈卫民，想对先艺电子进行追投，其中就包括广东省半导体及集成电路产业投资基金。这些投资机构热切关注的，正是先艺电子针对微电子封装互连和第三代半导体封装等领域推出的高可靠性封装焊料和封装器件。但如果把时间拉回到20年前，这一听着就拗口的封装焊料和器件，几乎无人问津。“碳化硅芯片在国内一直十分火爆，但存在一个巨大的短板，碳化硅晶圆下面的陶瓷载板，没有人做，一直处于被国外垄断的状况。”陈卫民举了个形象的例子，碳化硅晶圆好比“苹果”，晶圆下面的撑板则是“篮子”，他认为，大家都在争先恐后地“摘苹果”，而忽略了装“苹果”的“篮子”。一番深思熟虑后，果敢的陈卫民决定从短板处入手，做出这个“篮子”。“篮子”的底层技术，是高可靠性的封装材料。5G、新能源、航空航天等行业的芯片应用，要求芯片可应对更大算力、更大功率、更高集成度、更高击穿场、更复杂的工况等，这一重任落在了高可靠封装材料上。实际上，国内希望突破高可靠性的半导体封装材料的想法由来已久。早前，因光模块芯片领域的封装材料被国外垄断，业界就头痛不已。激光芯片是高功率芯片，工作时会产生大量的热，如果散热不及时，会严重影响芯片的使用寿命，甚至烧毁芯片。传统的热管理材料无法将热量有效散掉，因此对高可靠的芯片封装材料提出新的要求。“金属导热性好，而且可以胜任长期的高可靠性服役。”陈卫民表示，这正是金锡焊片可用于芯片封装的优势。2003年，陈卫民发现，金锡焊片只有一家美国企业有能力生产。曾有一家国家级的研究单位尝试研发，耗资几千万仍旧以失败告终。“国内没人能做，但这个材料又很关键，眼睁睁看着‘通知性涨价’的进口价格，业界企业非常痛苦。”陈卫民回忆道，正是在这种情况下，他决定必须要做成这件事情。攻克高端技术，首先面临的挑战就是人才。陈卫民回到母校，找到了电子封装的知名专家、国内首家电子封装本科专业创办者吴懿平教授，搭建起由高校、国家实验室、产业界人士组成的团队。历时数年，团队成功研发出了相关产品。不过，如何实现批量化生产，让科研成果成为商品，成为另一道门槛。制成金锡焊片，首先是抗氧化的熔炼工艺，团队先后经过四年多的时间和数百个上千个配方的迭代，解决了金锡焊料的熔炼这个“老大难”问题并申请国家发明专利并获授权。其二是金锡焊片的精密成型加工，金锡焊料的性能较脆，延伸率很小，极难加工，特别是芯片封装需要10-15um的厚度，该厚度相当于1/5头发丝直径，困难可想而知。“因为国外封锁这个加工技术和装备，4年时间里团队自行研发相关的核心装备和加工工艺，图纸不知改了多少遍。”没有任何方法可借鉴，没有现成的装备可用，还需要耗费数年时间培养团队。对此，陈卫民率领团队先是开发出自己的工艺和装备，再深究材料机理难题。经过不懈努力，先艺电子团队最终成功实现了金锡焊片的国内第一家商业化量产，并在公司成立的第二年导入国家大国重器研制单位的合格供应商名录，成功实现该战略核心封装材料的国产替代。乃至后来的金锡焊膏，先艺电子团队也是经过多年的技术攻关，成为国内第一家实现商业化量产的公司，成功解决了该领域关键器件的封装材料长期依靠国外单一供应商渠道的局面。回忆起创业中的一幕幕，陈卫民苦笑道，“感觉当时的自己有点傻，做新材料很寂寞，也很贵，怎么带领团队走过创业初期的死亡地带，很难，现在回想起来说不定没有创业的勇气了。”在收到来自国投创业的投资资金后，陈卫民曾问过投资人为什么选择投资先艺电子，投资人动容地回答道，“国投创业是国家队的投资机构，要解决半导体集成电路领域的供应链安全，为国而投，而先艺电子恰恰是高可靠性封装材料的头部企业，凭借原创的精神，解决了大国重器中被垄断的材料的问题，是行业不可或缺的力量，所以一定要投资你们！”在半导体产业，技术迭代速度飞快。仅四年时间，芯片制程就从10nm时代进入到5nm时代。因此，对于封装材料企业而言，生产出国产替代的产品并不意味着从此可以高枕无忧。“产业可能1-2年就迭代出新工艺了，而开发合适的材料去响应迭代的需要，光建个产线就需要3-5年时间，等建完产线，整个世界都已经颠覆了，这样怎么能追赶上产业迭代的速度呢？”半导体产业涉及材料、器件、模块、总成、整机等环节，产业链长，环节繁琐。陈卫民表示，来自终端的需求响应越来越快，先艺电子作为器件的上游供应商，需要考虑客户对于供货速度的紧迫感。另外，终端削减成本的要求随时往上传导，甚至一口气砍掉30%-50%的惊人幅度也不少见，“有些时候面包卖得比面粉便宜，不压缩成本怎么办？”为了解决这一难题，先艺电子决定将材料进行一个小小的升级。“如果说金锡焊片、金锡焊膏等连接材料是‘大米’，那么接下来我们就要做材料深加工，将‘大米’变成‘熟饭’。”陈卫民敏锐地意识到，如果单独卖连接材料给客户，客户还需要配套多种工艺和设备，何不直接将这几道流程在材料端完成？于是，先艺电子提出了“焊料集成”这一概念，研发出“预置金锡盖板，金锡薄膜热沉”。这样一来，连接封装就具备便利性、快速性、可靠性和一次性等多种优势。不仅提高了客户生产中的良品率，其综合成本也得以下降。值得一提的是，该焊料集成的器件产品的推出，解决了集成电路微组装的多项困扰。其一，预置金锡盖板作为精密级的焊接器件， 金锡焊片集成到镀金的可伐盖板上，用户端省去一道工装对位的工序，大大提高工作效率和良品率，利于实现高度集成的封装工艺，满足核心器件的服役可靠性需求。其二，金锡薄膜热沉的图案化焊料薄膜，解决了光芯片的精密对位和快速贴片，大大提高芯片的贴片精度和加快生产效率。令陈卫民颇感意外的是，以金锡焊片为主的预成型焊片在业内十分的火爆，越来越多的人进入了这一行业，市场愈发“内卷”。而此时此刻，时刻关注市场需求风向标的陈卫民，再次将目光投向了“第三代半导体的封装材料”。随着“双碳”政策的推出，新能源汽车、风电、储能产业迎来黄金发展时代。逆变器是这些领域的关键器件，以新能源汽车的快充为例，短期内完成充电，需要采用1400伏特甚至更高的高压大电流，这考验着逆变器的抗冲击能力。在逆变器中，有一种特殊的覆铜板——AMB陶瓷覆铜板，被日本、欧美企业所垄断。这一特殊覆铜板是陶瓷与铜复合，可耐受高电压和更高的载流能力。陈卫民敏锐地察觉到，新能源产业将是一个蓝海市场，具有较强的高可靠电子封装材料原创研发能力和15年技术沉淀的先艺电子必须快速切入这个赛道。接下来，先艺电子利用自己研发的活性焊接材料将铜与陶瓷进行了焊接，推出了AMB陶瓷覆铜载板产品。相比传统的DBC陶瓷覆铜板，这种产品具有铜层厚、载流能力强、耐受高压、导热性能好、抗温度冲击性能好、可靠性高等优势，正好匹配第三代半导体碳化硅功率器件的封装需求。“我们是一个材料制造商，聚焦做高可靠半导体微电子封装材料，一定要提供深度附加值，只有提高产品附加值，我们的毛利率才会更高，做重复性的、低价值的材料是没有多大出路的。”陈卫民说道。除了以创新走出技术迭代的速度，陈卫民认为，快速响应客户需求，也是企业核心竞争力之一。先艺电子建立起“新材料研发中心”和“快速生技工程研发中心”，快速响应外部需求，实现柔性化制造。“实现订单的快速交付和解决方案，成为客户的战略伙伴是不仅仅是供应商。”陈卫民表示。深耕这一快速迭代的行业，陈卫民紧紧地抓住“快”字。“一定要做第一名，一定要跑得比竞争对手快，第二名可能都无法生存。”快言快语、思路切换飞快，这也是新材料在线®对陈卫民的第一印象。作为先艺电子的创始人，除了懂技术，陈卫民更像一个产品经理。陈卫民的产品开发想法大抵来自两个渠道，一个是与客户的碰撞交流，另一个就是政策的发布。陈卫民养成了看业界的政策动向、新闻动态和技术发展的习惯，在他看来，不少最新政策或新行业格局的变化消息就来自于业界最新的资讯。最近几天，“中国高端芯片等半导体集成电路的关键战略材料被限制进口”的新闻让他十分关注，“很多东西是有钱都买不进来的，未来高端芯片和相关芯片的封装材料对于高可靠性的封装器件有大量需求，这是政策窗口。”陈卫民也关注国内新材料、赛道内的差异化的信息。“不能仅仅为了研发而研发，要能实实在在地解决客户产业化落地，想办法将它做成商品，符合产业的真实需求。”无论是第一代的焊料还是第二代的焊料集成，再到第三代的半导体封装材料，这条产品线的布局，可以说是陈卫民对如何解决客户现实问题的思考沉淀。“作为研发型的企业，我们要完成成熟一代、储备一代、开发一代。”在先艺电子的研发中心，陈卫民如数家珍的介绍着其研发设备，他指着配备的光刻房介绍道，公司已经建成的一条4寸的半导体工艺平台和量产线，研发团队可在碳化硅和硅晶圆上面正在尝试镀膜钛、镍、金和焊料薄膜，并用光刻的方法把金锡焊料做成很小的图案。陈卫民表示，先艺电子是国内第一家提出图案化焊料薄膜和焊料集成器件的企业。焊料薄膜的图案化，意味着可以导入更多的应用场景。比如在红外镜头中，需要采用较大尺寸的红外芯片，普通红外芯片的封装需要打线，而采用精准的图案化焊料可以通过倒装等先进封装工艺实现器件的集成封装，大大减少器件的物理尺寸。此外，随着手机直通卫星的功能推广，未来不再需要信号基站，手机的信号发射依靠内部植入的小发射器，该发射器配备氮化镓芯片。而芯片的导热、高可靠、小型化等封装等需求，正是先艺电子未来更大的舞台。在陈卫民的眼里，未来是一幅科技感十足的画面。比如手机安装着雷达，可以互相感知对方的存在；装有红外摄像头的手机可以在夜晚拍出十分清晰的图片；卫星与卫星之间可以激光通信等。实现这些场景，需要更大功率的芯片，更集成的封装设计，更可靠的封装工艺，这意味着需要更加精密的封装焊料和焊料集成器件。“如果只是聚焦材料本身，它的天花板就摆在那里，该如何突破这个天花板？抓住终端的需求。”陈卫民认为，当前的新能源汽车市场正在爆发出强大的潜力，充电模块、车载传感器、智能座舱都是先艺电子看好的领域。陈卫民的战略目光和布局，也得到了业界的认可。基于第三代半导体高可靠性的封装技术和芯片级先进封装材料，先艺电子从4000多名参赛企业中过关过关斩将最后成功获得11届和12届中国创新创业大赛（广东赛区）一等奖。谈到兴奋处，陈卫民拿出手机，秀出一张图片，这是一张先艺电子崭新的大楼和厂区渲染图，厂区所在的位置，是广州市政府在“专精特新聚集区”为先艺电子划出的一块面积达21亩的土地“先艺电子如今是‘专精特新国家小巨人企业’，我们接下来将筹建一个近6万平方米的科技产业园，继续深耕半导体集成电路领域，把高可靠封装材料做专、做深。”。作为中国经济总量最大的省份，近年来广东省高度重视发展半导体产业，推出一系列政策，不惜壕掷千亿“补课”，并强调“全面建设中国集成电路第三极”。陈卫民表示，先艺电子恰好迎合粤港澳大湾区在半导体产业的战略布局，因此也得到了政策的扶持。
