日常我们所说的“封测”是指封装测试。而封装要达成的是对芯片的支撑和机械保护,以及把电信号从芯片上引出来。凌波微步CEO李焕然在媒体分享会上提到,其操作包括“晶圆的打磨、切割,芯片的贴装键合、塑封等过程”。

我们常说,半导体制造与封测相关的设备装置、材料等是当前行业和国家关注的重点,也是实现国产化全链条打通的关键。普罗大众对于设备装置的关注,主要在某些更核心的设备上——毕竟“皇冠上的明珠”更能集中目光。

这次借着国内凌波微步半导体科技刚刚获得创新工厂数千万A轮融资的机会,我们来简单了解一下封测设备中的IC球焊机(Ball Bonder)。IC球焊机是芯片引线键合(wire bonding)的核心设备,据说这种设备被誉为封装设备的“皇冠”。当然,这也是我们了解凌波微步这家企业的机会。

封装设备:IC球焊机

日常我们所说的“封测”是指封装测试。而封装要达成的是对芯片的支撑和机械保护,以及把电信号从芯片上引出来。凌波微步CEO李焕然在媒体分享会上提到,其操作包括“晶圆的打磨、切割,芯片的贴装键合、塑封等过程”。

半导体封装工艺分为传统封装和先进封装。此前我们探讨关注比较多的,普遍是先进封装。不过行业内大部分芯片的封装还是会采用传统封装工艺。传统封装的一道关键工序为引线键合,“是采用金属线,利用热压力和超声波的能量,使金属线在芯片的焊盘和基板的引脚能够紧密地焊合,实现芯片与基板、芯片与芯片之间的电气互联和信号互联。”李焕然说。

引线键合的核心设备之一就是IC球焊机。李焕然表示在引线键合设备市场中,90%以上的键合设备都是IC球焊机。“目前的IC球焊机综合了超声波焊接技术、运动控制技术、精密机械技术等,以接近物理极限的速度和精度来完成工作。”所以IC球焊机要求多个交叉学科的知识,包括机械、电子、电气、光学、超声波、运动控制等。

创新工场投资董事兼半导体总经理王震翔介绍说:“这个行业的人才门槛实在太高了。其实根据我们的了解,IC球焊机这个行业,国内真正非常厉害的人才也许只在个位数。”

IC球焊机与凌波微步

从整体市场价值来看,“封测设备占到半导体设备的大概15%。刨去测试设备,在封装设备中,IC球焊机大概占到封装设备的30%,算是第一大市场份额的核心设备,也是难度最高的。”

“技术门槛高的同时,这个工具已经非常标准化。所以封装设备市场长期处于寡头垄断的状态,集中度很高。”IC球焊设备以往是长期依赖进口的。由于其制造难度大、技术壁垒高、标准化程度高,IC球焊机被美国K&S、荷兰ASM、日本KAJIO等国际巨头垄断。国产引线键合设备在全球市场上的占比不到1%。

与此同时,在市场现状方面,“球焊机是采用机械的方法来实现纳米级的精度。”“微米级不如纳米级那么引人注目,但它也是个‘卡脖子’的产品。我们一般说球焊机是隐形的冠军,其售价大约是5万美元一台。”用李焕然的话来说,这个市场“缺乏明星效应,受到的关注度比较低”。

所以李焕然表示,凌波微步半导体科技率先在该领域突破了技术壁垒,“实现了IC球焊机数百台级的出货量。”他着重提及凌波微步IC球焊机的一些技术特点。这些特点对于我们理解IC球焊机在封装过程中的价值和作用,应该也更有帮助。

上面这张图给到了IC球焊机的几大特点,包括

(1)加速到百公里时速仅需0.2秒——李焕然打比方说是法拉利F430的20倍;Z轴焊头则只需要0.02秒。

(2)XY平台从100公里/小时减速至0,也只需0.2秒,并且停在给定范围的±1μm范围内——有兴趣的各位可以去对比一下此前我们采访ASML时,提及lithography设备这部分的精度控制

(3)焊接力±1g——“停下来打线时,凌波微步IC球焊机相当于轻轻抚摸婴儿的皮肤一般,把压力控制在±1g。”“力的变化需要十分柔和,这个力一定要控制好。稍稍大一点就会把芯片焊盘的导电层击穿,力小则影响键合力。”(4)智能化、自动化,极少人工介入。

这些都是IC球焊机的技术壁垒,王震翔说如果没有几十年的从业经验和跨领域、多重know-how的积累,则这样的技术壁垒无法突破,包括伺服控制、±1μm的定位精度、极快的加速度,以及焊接力的控制技术、超声波技术、高分辨率视觉识别技术,以及规模化部署、快速迭代的实现等等。

李焕然说:“凌波微步的IC球焊机在技术指标和产品性能上都做到了与国际品牌相当,在国内品牌中居首。”王震翔评价说:“业务层面,他们在特定领域、一些细分的市场已经能够直接对标国际大厂K&S、ASM,不仅是在绝对参数上全面对标,在服务和价格上还比他们更有优势。”“国内厂商,只有他们一家在IC的这个领域做到了大规模量产。”

“球焊机的整机流程包括零部件设计、整机设计、程序设计、零部件的加工、标准件的采购、零部件和整机的组装,以及机器的调试和质量控制流程。除了机械加工件的委外,其他流程包括研发设计、组装、调试和质量控制都是我们自己来完成的。”李焕然强调,“目前我们在常熟建设的生产基地接近1万平米,已经逐步开始量产。在全部量产之后,预计一年的产量1500-2000台。”“希望能够满足国内产能大概20-30%。”“国内排名前三的封测厂中,我们已经进入了两家。”

走“专精特新”之路

王震翔透露,由于市场大环境供货紧张、产能吃紧,行业整体利好,凌波微步拿下的订单也“一再激增”,“今年截止目前,凌波微步订单额已经超过1个亿。”这在上游设备相关的初创企业中,还是相当少见。要知道,凌波微步这家公司是2020年12月才成立的。

“和国外企业产品相比,我们的基础性能已经没有太大差距。我们最主要的优点就是产品和服务的灵活性。我们可根据客户的需求,做出程序、甚至机械的更改,来满足客户的需求,这是国外产品很难做到的。”李焕然在提及凌波微步与国际巨头的对比时提到,“从差距来讲,主要是我们的产品刚刚进入市场,真正使用的比较少,所以在工艺适应上还有些差距。在我们的产品应用不断广泛之后,我相信这个差距可以得到弥补。”

李焕然将凌波微步的IC球焊机研发归结为“专精特新”四个方面——国家“专精特新”小巨人企业其实是现在颇受资本追捧的热词,此前我们也采访过一些集成电路行业的“专精特新”小巨人企业。据说凌波微步是以专精特新为标准在做技术研发的,包括了:

“专”注于芯片引线键合;在精密机械、运动控制、图像处理、超声波技术等跨学科领域精益求“精”;根据客户个性化需求做调整,提供贴合需求的“特”定服务——前文也已经提到了这一点;开发“新”技术,持续进步。

其中“新”的部分体现在凌波微步引入了云端互联技术和AI技术。这里的云端互联技术,是“让客户在生产过程中,将设备通过互联网连起来放到云端,让客户能够在远端监察和监测每部机器的状态,调整机器的参数。”对于AI技术,凌波微步未曾具体提到,只是说”我们的机器可以自动识别产品批次、自动选择匹配的参数”,那么可能与计算机视觉有关。

李焕然在谈凌波微步的产品优势时谈到了这两点。除此之外的优势还包括

(1)VR线弧技术:即引线在连接芯片的焊盘和引脚时需保持一定的形状,李焕然说,这是评价引线键合质量的重要指标。凌波微步以可视化VR线弧技术,使线弧编辑更容易实现和更改;

(2)全闭环力控技术——即前文提到的焊接力的精准控制,达成±1g,而且“可以使力按照预先设定的曲线来变化,保证焊接质量”。

(3)运动控制的采样频率——当前凌波微步开发的运动控制系统的采样频率是20K赫兹,是确保精度和速度的基础。

其他参数如上图所示,包括XYTable分解读±1μm,焊线精度±2μm;工作台加速度25g,焊线速度25线/秒;稳定性上,量产下平均MTBA(Mean Time Between Assistant)超过1小时;适应材料方面,可做到金、银、铜、铝各种合金,包括焊盘和焊丝都可以做,焊接范围56x90mm。

“这些指标都与国际品牌相当。”李焕然说,上面这张图是凌波微步将自家产品与K&S和ASM竞品进行的比较。

此外,他也举了两个焊线实例。其一是系统集成封装的电源管理IC,在一个集成电路中封装多个芯片,同时键合20条线,比较特别的是采用2.5mil铜线。据说“单这个客户,目前我们的产品保有量已经超过150台”。

另外一例是BGA球栅阵列封装引线键合——BGA封装是比较常见的方案。这一例的引线数达到了240条,焊盘尺寸则为40μm。而且例子中似有两个堆叠的die,“需要多层焊线”。“这种高密度BGA封装在引线键合里也是最高端的。”李焕然说,“凌波微步的设备目前已经在一家国内的头部企业进行了250条线的BGA封装的生产和测试。”

作为一家去年12月才成立的企业,做到这种程度还是比较令人咂舌的。李焕然在媒体分享会上多次提及要达成跨学科综合知识掌握的难度与不易,及其造成的技术壁垒。不过李焕然本人从事半导体设备行业工作已经有30多年,在ASM、太古科技、香港新科等企业都任职过研发和管理工作。

在凌波微步成立之前,李焕然就曾“与朋友合作,在深圳成立一家公司,为市场提供半导体和微电子行业自动化解决方案”,先后获得过一些研究成果和专利。所以在凌波微步半导体科技有限公司成立以前,李焕然及其团队的技术储备普遍有20年以上。这也是凌波微步能如此自信谈自家IC球焊机技术可与国际大厂比肩、并在国内率先实现球焊机大规模量产的基础。

市场与未来

除了传统封装技术,李焕然在答记者问阶段也透露,未来凌波微步计划进入先进封装市场。“球焊机在先进封装中也是有应用的,最主要的应用就是在先进封装中打凸点(microbump)。”

凌波微步未来的几步规划包括:“首先进入国内新兴的半导体封装企业。他们对国产设备的认知度和接受性比较强,同时对价格和服务比较敏感;第二步进入国内的头部企业,他们对技术要求比较高;第三步进入国际顶尖封装企业,像日月光和矽品。”

无论是凌波微步,还是这次投资凌波微步的创新工场,都对封装市场的前景十分看好。李焕然在演讲中援引了一组数字:2020年全球半导体设备销售额增长19%,达到720亿美元。

“根据国际半导体协会的最新数据,2021年Q2全球半导体设备订单增长48%,创下249亿美元新高。其中中国大陆Q2半导体设备订单更是飙升了79%,达到82.2亿美元。” 封测设备市场2019年销售额42亿美元,2020年为50亿美元。“IC球焊机领域的市场容量,2020年大约是15-16亿美元。”

“2020年中国大陆已经成为全球最大的半导体设备市场,且市场规模占比在逐年快速爬升。2020年前三个季度,中国市场半导体设备销售额同比增长48%、37%和63%,增速明显高于全球市场。”王震翔说,“与此同时,国外设备企业产能不足,给新玩家带来很大机会和机遇”…“再加上国内下游封测客户持续扩产,以及政策、资金双轮驱动,封测设备的国内自主创新空间非常巨大。”

所以王震翔透露说,针对本土半导体设备市场,“大家可以期待我们(创新工场)后续的投资。”基于此也能看出这一市场的火热。

责编:Luffy Liu

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