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          不止光刻機,國產芯片還有這些難題要解決

          原創文章 發布人:芯榜 發布時間:2023-03-17 10:10

          光刻機作為半導體設備三大件之一,被譽為“半導體工業王冠上的明珠”。2023年3月,隨著美國拉攏日本、荷蘭達成新的限制對中國出口先進芯片制造設備的協議,將圍堵“中國芯”的事件推向了一個高潮,也成為了全民關注的焦點話題。

          根據國家統計局發布的《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展統計公報》,2021年我國集成電路出口數量達3017億個,比上年增長19.6%,出口總額達9930億元,比上年增長23.4%;2021年集成電路進口數量為6355億個,比上年增長16.9%,進口總額為27935億元,比上年增長15.4%。作為對比,2021年原油進口總額約為1.66萬億元,芯片進口總額是原油的1.7倍。巨大的貿易逆差讓我國在國際貿易中處于不利的地位,所以芯片是我國亟待解決的問題之一。基于該背景下,近期業內有很多專家解讀了制造芯片的核心裝備——光刻機的重要性。其實,除了光刻機以外,在我國半導體龐大的產業鏈中,還有很多重要環節處于發展初期。國產芯片的崛起,任重而道遠,

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          第一半導體材料:利潤不可觀,國產占有率低

          有很多人都知道,芯片是由沙子制作的,但縱觀芯片制造的整個環節,所需要的材料不止于此。比如光刻膠、拋光液、靶材、特種氣體等不可或缺。后端封裝也需要各種材料的基板、中介層、引線框架、粘接材料等。如下圖是一個3D封裝芯片的示意圖:其中天藍色的是基板(Package Substrate),基板中存在引線(Standard Package Trace), 灰色的是中介層(Silicon interposer),這些都芯片中必要的材料。

          半導體材料是芯片行業的根基,芯片制造沒有原材料,就好比“巧婦難為無米之炊“。目前,國產半導體材料整體還相對薄弱,在品類豐富度和競爭力處于劣勢地位,2021年國內半導體材料國產化率僅約10%左右。

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          第二半導體設備:全球市場基本被美日荷三國壟斷

          首先說自動測試設備。在半導體產業鏈中,一顆芯片的生命周期開始于對市場需求的分析,跟隨著產品的定義、設計和制造,封裝完成以后交付到終端消費者手中,在整個流程中需要經過多次測試。 

          而芯片自動測試設備中集成了眾多精密的儀器,整體的造價也十分昂貴,一臺價格也高達千萬美元。目前,全球半導體測試機主要市場仍被美國的泰瑞達、日本的愛德萬兩大海外龍頭占據,國產化依然有著很大的增長空間。

          刻蝕機也是非常重要的裝備。隨著半導體制程的微縮和結構的復雜化,半導體刻蝕設備的種類和技術難度遞增。但目前刻蝕設備領域長期由海外龍頭壟斷。

          另外,離子注入是晶圓制造摻雜核心工藝,技術壁壘僅次于光刻、刻蝕、薄膜沉積。目前,本土晶圓廠一般會將7%~10%的設備開支用于離子注入機。離子注入機則是為硅晶圓注入要摻雜的原子,從而芯片獲得特定的電性能,否則我們即使做出來芯片,也無法正常工作。除此之外,半導體設備還包括清洗機、用于后道的封裝光刻機、芯片分選機等。我們需要關注的是:目前,半導體設備市場目前主要由美、日、荷三國企業基本壟斷。根據CINNO Research的數據,2022年上半年十大半導體設備企業中,3家美國企業,5家日本企業,2家荷蘭企業,沒有一家中國企業。這也是為什么這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口先進芯片制造設備的協議的原因。

          除了集眾多高精尖技術的光刻機,其他半導體設備我國已經開始加速國產替代化的進程,但形勢依然不容樂觀,目前國內依然無法做到先進工藝的全流程國產化。在成熟工藝的市場上,我國半導體的自給率目前大約在20%左右,依然有巨大的替代空間。雖然中芯國際和華虹宏力能完成28納米工藝的量產,但尚未完成產業鏈的完全國產化,目前落后的環節主要還是在關鍵設備和材料上。

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          第三EDA:國產半導體產業鏈發展薄弱的環節之一

          EDA被譽為“芯片設計之母”,盡管整個EDA市場規模只有百億美元,去撬動著約5000億美元的半導體市場規模,其杠桿效應顯著。在現代超大規模芯片設計中,EDA是不可或缺的一環。目前整個EDA產業大部分被三大EDA公司新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)、和西門子EDA所壟斷。相比國外,我國的EDA起步并不算晚。1988年,國產EDA工具 “熊貓系統”開始進入研發階段。

          隨后,在國家政策的扶持下,華大九天于2009年成立,概倫電子于2010年成立。再加之部分國內老牌EDA企業,如廣立微電子、國微集團等在國家的扶持下重獲新生,國內EDA企業自此重整旗鼓再出發。但是,從2018年開始,中興和華為接連受到美國制裁,為國內還處于初步發展中的EDA產業敲響了警鐘。2022年8月15日,美國商務部宣布對設計GAA晶體管結構集成電路所必需的EDA軟件實施出口管制。GAA晶體管結構主要用于3納米及以下的先進工藝,盡管目前的斷供對中國絕大部分芯片公司幾乎沒有影響,但這也堵住了未來國內高端芯片的設計之路,并且不排除未來美國在“EDA斷供”上繼續加碼的可能。但我們也要看到,從2018年到2020年,國產 EDA 工具在國內市場的銷售份額分別為 6.2%、8.3%、11.5%。盡管規模依然很小,但市場占有率穩中有升。EDA的發展周期長、難度大,雖然羅馬不是一日建成的,但如果假以時日,相信國產EDA一定會穩定發展。 

          最后,也期望每位讀者能了解芯片、認識芯片,或者更進一步的投身到這個行業中,實現自身價值,勇攀科技的珠峰。


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