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进博会|助力中国集成电路高质量发展 关键材料的突破与创新如何破题?

来源:爱集微

#进博会#

#贺利氏#

2021-11-07

集微网报道,集成电路无疑是当前信息技术产业发展的核心。近年来,国内集成电路技术创新不断取得突破,制造工艺、封装技术、关键设备材料都有明显大幅提升。但不可否认的是,我们依然有很多产业技术瓶颈和生态布局亟待跟进和完善。去年下半年以来,全球的“缺芯潮”蔓延到了汽车、手机、家电等各个领域,高端芯片层面也遇到了“卡脖子”的情况,而且芯片以外的很多电子产业原材料也出现了供不应求的状况。如何循序渐进、突破高端芯片短缺等卡脖子难题,实现集成电路产业的高质量发展,已经成为下一步产业发展的核心。

11月7日,在第四届中国国际进口博览会(下称“进博会”)现场,贺利氏围绕“中国集成电路关键材料的突破与创新”的话题带来了一场直播沙龙。贺利氏电子中国区研发总监张靖博士、集微咨询高级分析师陈跃楠、罗兰贝格管理咨询公司中国区高科技及互联网行业负责人李冰博士,以及上海交通大学电子材料技术研究所副所长高立明博士,在直播现场分别从多个角度解读集成电路材料产业的台前与幕后,分析痛点与难点,探索发展路径,一起推动中国集成电路迈向未来。

自2018年以来,贺利氏已连续四年参展。本届进博会首设集成电路专区,贺利氏遂成为入驻“集成电路专区”的参展商之一。这家1660年起源于德国哈瑙一间小药房的德国公司如今业务聚焦半导体、环保、健康和工业应用等领域。中国市场是贺利氏十分重要的战略市场,秉持“在中国、为中国”的战略理念,贺利氏在中国市场已经深耕40余载,仅中国大陆地区,贺利氏已建立20家公司,并于过去十年新建了5个创新中心,并拥有2700名员工。

目前国内集成电路发展处于怎样的发展阶段?

官方公布的公开数据显示,2020年我国集成电路销售收入达8848亿元,平均增长率达20%,为同期全球集成电路产业增速的3倍。中国集成电路整体产业正在进入大规模高速发展的周期。

对此,罗兰贝格管理咨询公司中国区高科技及互联网行业负责人李冰博士认为,这背后两个比较大的趋势值得重点关注:第一是全球半导体产业正在步入后摩尔时代,新材料、新工艺、新制造模式正在成为后摩尔时代突破的重点。而这也将同时打破传统集成电路巨头行业的垄断,给与更多企业发展的机会;第二是中国是全球数字化转型发展的重要一极,而目前国内数字化应用正站在大规模发展的拐点时期,这些下游应用的放量增长也将促进集成电路的大规模增长,同时,下游应用从消费电子向汽车、新能源等多个领域的拓展也为半导体应用新材料、新工艺带来了巨大的增量市场。

集微咨询高级分析师陈跃楠用造房子来比喻整个集成电路产业的各个环节,其中IC设计就好比建筑图纸,制造就是通过建筑商把房子的主体造出来,房子的装修装饰则相当于封测,而设备和材料就相当于造房子用的砖瓦等原材料和专业工具机器。他指出,受益于政策、产业数字化升级以及资本等各方面的推动,当前国内集成电路产业正处于“百花齐放、百家争鸣”的时期,而在经过了长时间发展后,国内集成电路在设计、制造和封测环节都已经有了一定体量之后,国家下一步在产业重点投入上又有了新方向,包括像大资金二期在内,都开始将材料发展作为下一步布局发展的重点。

材料创新是后摩尔时代关键推动力

材料层面的创新和工艺的进步,对于后摩尔时代的半导体产业是关键的推动力。作为材料方案提供商,贺利氏也投入了一系列的材料用于封装,尤其是现在火热的第三代半导体封测领域。以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体近年来备受产业界和学术界的重视,同时也看到大量的资本开始涌入这一领域。

上海交通大学电子材料技术研究所副所长高立明博士对此指出,事实上,就半导体电子材料而言,第一代半导体(主要是硅材料)、第二代半导体(主要是砷化镓为代表)和第三代半导体之间并不是替代关系,目前95%的市场主要还是在第一代硅材料上。而碳化硅等第三代半导体材料有其自身的特点和优势,尤其是在新能源汽车上碳化硅功率器件具有良好的应用。但他指出,目前国内在第三代半导体的发展上还面临着很多技术瓶颈亟待突破,比如,碳化硅衬底的制备非常难,需要投入大量的资金和时间成本。

贺利氏电子中国区研发总监张靖博士指出,碳化硅等第三代半导体的优势归结起来主要体现在能源利用方面。比如碳化硅的特点就是在于它的节能,这让它在新能源汽车上优势明显,“它可以让电动汽车在同样的里程需求下,可能用更少的电池。这一来节省了电池的成本,同时还减轻汽车重量(电池本身很重)。因而碳化硅功率半导体技术成为当前电动汽车领域的热门技术。”然而要用好这项技术,则面临封装材料技术上的新挑战。张靖博士介绍,碳化硅芯片对封装的要求非常高,由于其能源转化的效率非常好,因而其工作温度很高,同时又要求芯片可以长时间工作,这些都需要相配套的封装材料同步跟进。

据悉,贺利氏电子围绕第三代半导体开发出了很多出色的封装产品和解决方案,包括固晶材料(DA)、线材(WB)、金属陶瓷基板等等。其中,贺利氏早在15年前就开始量产烧结银材料,目前已经发展为多环境,多种结合界面,多种散热选择的全系列产品体系,它的热导率是一般贴装材料的4倍。值得一提的是,在改善芯片性能方面,贺利氏电子推出了独有的Die Top System(DTS)材料解决方案系统,通过材料的创新,充分优化电力电子模块的性能,能够将电力电子模块的使用寿命延长50多倍,并确保芯片的载流容量提高50%以上。

当前材料产业发展的困境和瓶颈

众所周知,材料产业基础的提升非一日之功,需要经历长达数十年的基础研究和大量实验、应用,才可能迎来收获的曙光。目前国内的半导体材料产业发展面临哪些困境和瓶颈?

李冰博士认为,在技术和已经成型的市场壁垒以外,人才问题和投资问题是两个需要关注的较为长期的产业底层发展的问题。在半导体人才,尤其是材料人才方面,目前国内产业面临着人才密度和总量不足的问题,即一是人才总量缺口,经验型和基础型人才不足;二是人才结构上高端型和专业型人才匮乏。而解决这个问题,需要政府端、高校端、企业端多个主体体系性的努力和联动,做好人才的引用育留。在投资问题上,李冰指出,半导体材料专业性门槛较高,目前国内从事半导体材料投资的专业人才还非常有限。

针对产业投资的问题,陈跃楠也进一步指出,当前资本市场火热,对于产业发展本身有利,但同时也要警惕资本过热问题。他具体分析,资本过热带来的一大问题可能是人才的集中度不够。“如果每个人在干了三五年半导体之后都想独立出来创建一个团队,这就会导致核心人才的凝聚力和竞争力不够,对比海外巨头这种动辄上千或者上万人的这种研发机构,我们的研发力度就会非常不足,研发强度也不够,不利于整体的产业发展水平。”

高立明博士也有同感,他对此指出,从原材料到工厂、设备,再到封测芯片产业供应链是一个十分复杂的体系,更需要产业集聚效应,在投资布局方面需要全盘考虑。此外在人才问题上,怎样把刚刚毕业的学生够培养成一个成熟的半导体产业人才,需要长期发展的思维,同时也要尝试多方发展模式,包括从国外去吸收有经验的高端人才,进而带动国内的产学研通过不断实践累积经验。

张靖博士则强调,发展材料产业一定要具备“三要素”:一是要有眼光,材料类产品开发周期很长,因而必须要进行前瞻性研发,“就像我们的烧结银材料,早在2007年就已经开发完成了,直到2015年起才开始进入应用,而最近随着第三代半导体的火热,这一材料也随之进一步火了。”二是要有耐心,因为做的是前瞻性的研究,它需要很长的时间,然后需要不停地迭代优化产品,这是一个痛苦而漫长的过程;三是要有朋友,材料的研发过程当中,一定要和客户保持密切合作,有利于产品最终更好的应用落地。

如何破题?长期主义思维培育人才、产业生态是关键

那么针对当前产业发展的困境和现状,可以有哪些破题思路?

李冰博士认为,破题的关键还是应该回归到“高质量”发展这个主题,半导体材料产业的发展不是单纯伴随扩产而做的扩量,而是有步骤、有计划、有能力的寻找在现有材料技术创新和新材料上的突破点。他强调,从下游应用来看,对于整个集成电路产的驱动性是很明显的,但是如何去找出这些应用场景,其实需要产业去共创。“我觉得‘联合创新’可以是产业当前优先去考虑的一个解决方案。”李冰博士指出,这包括在人才建设上的联合创新以及产业生态上的联合创新。

他以欧盟这两年一直在推动的复苏基金为例,其中有一项就是针对解决半导体产业的问题,其做法就是联合欧洲当地的核心应用企业和半导体制造商以及美国及亚太地区的半导体厂商共同构建产业联盟,通过该联盟去共同发展一些灯塔级的项目,联盟成员共同去合作完成这些项目,这样既能够解决资金问题,同时还有场景开发、产品技术研发等都能共同推动,而政府在这其中扮演着一个非常好的平台作用。这些模式也同样值得中国借鉴。

陈跃楠则特别强调未来的发展一定要以市场需求为出发点,以此来解决一个供求关系的问题,同时对于半导体产业的投资布局,必须要有长期主义思维,延续性和可持续性发展。他以合肥的集成电路发展思路为例,正是由于当地政府从上到下持续性的推进,深化对产业发展规律的认识,同时每一届政府都保持对产业发展政策的延续性。这对集成电路的持续发展是有重要的动力。“千里之行始于足下,设计制造设备材料封测各个环节,还有很多小的技术节点需要突破,要更多重视基础研发,把产业基础打牢。”陈跃楠说。

高立明博士则建议,产学研合作要更多聚焦在一些长远的基础性的研究上面,就是“企业没有时间但又特别想要解决的一些技术问题”,以此维度可能更能体现大学和企业进行产学研合作的意义。

对此张靖博士也十分认同,而在谈到融入中国市场产业生态发展方面时,他进一步强调,要“真正地参与到本地产业的发展中”,这也是贺利氏的“在中国,为中国”理念所强调的。“罗马不是一天建成,产业需要更多的耐心;罗马也不都是罗马人建的,我们也要善于利用国际资源,通过国际资源来加快解决卡脖子问题,不要闭门造车。”张靖博士认为,保持开发合作的心态始终是产业发展的重要逻辑。

(校对/ Jimmy)

责编: Aki

Carrie

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作者简介

集微网IC频道副主编,关注人工智能、智能制造、智驾及AIoT产业链。

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