《中国半导体产业崛起:政策频出 但核心技术仍差三代》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: tengfei
  • 发布时间:2017-11-20
  • 一块指甲大的芯片,背后承载的也许是一一场场有关技术的较量。

    随着国家对集成电路产业扶持政策的落地以及这几年来中国企业的奋起追赶,在世界的舞台上,来自中国半导体行业的声音愈发响亮。

    中国半导体行业协会副理事长陈南翔在2017年中国半导体市场年会上表示,2016年全球半导体市场规模为3389.3亿美元,同比小幅增长1.1%。欧美地区呈下滑态势,其中美国市场下降4.7%,而亚洲地区增长3.6%。2016年中国集成电路的市场规模达到11985.9亿元,占全球半导体市场的一半以上。

    特别是一些优秀半导体企业在各自领域对欧美强者发起了猛烈的攻势,如华为海思在人工智能芯片上的厚积薄发,又如紫光展讯在市场技术上较量的无所畏惧,在产业话语权的争夺上,外界看到了更多来自中国企业的身影。

    “后发”追赶

    根据中国半导体行业协会统计,2016年,中国集成电路产业销售额达到4335.5亿元,同比增长20.1%。设计、制造、封测三个产业销售额分别为1644.3亿、1126.9亿及1564.3亿,增长速度分别为24.1%、25.1%及13%,设计和制造环节增速明显快于封测,占比进一步上升,产业结构趋于平衡。

    陈南翔表示,预计未来几年内,中国仍是全球最大的集成电路市场,且将保持20%左右的年均增长率。

    集邦咨询半导体研究中心(DRAMeXchange)分析师郭高航对第一财经表示,中国半导体产业能够迅猛发展,主要得益于国产替代进口的需求,政策和资金的支持以及终端需求引导三大因素。

    政策和资金的支持带动了该行业的发展。2014年6月,国务院颁布了《国家集成电路产业发展推进纲要》;同年9月,国家集成电路产业投资基金(亦称“大基金”)正式设立,首期募资1387.2亿元。2017年初,在上海举办的一次产业峰会上,国家集成电路产业投资基金有限公司总经理丁文武介绍称,截至2016年底,国家大基金成立两年多来,共决策投资43个项目,累计项目承诺投资额818亿元,实际出资超过560亿元。已实施项目覆盖了集成电路设计、制造、封装测试、装备、材料、生态建设等各环节。

    全国各地也纷纷成立基金以支持集成电路发展,北京、上海、四川、湖北等多个省市设立集成电路产业投资基金。2013年12月,北京宣布设立集成电路产业发展股权投资基金,基金总规模300亿元。上海市集成电路产业基金、南京市集成电路产业专项发展基金、安芯产业投资基金(福建)基金规模均高达500亿元。据不完全统计,一期的大基金能够撬动地方资本大概有5000亿元。此外,一些投资机构也在积极寻找一些热门的前沿标的。

    郭高航认为,从计算机到手机,到现在最热的AI,中国半导体应用的终端越来越广。临近万物互联的时代,很多新兴应用出来, AR、VR、可穿戴设备、车联网以及工业控制方面新增的需求等终端需求引导上游中游产业更快地发展。

    以小博大

    在部分高精尖技术领域,中国厂商开始逐渐攻破技术壁垒。

    集成电路产业主要由集成电路设计、芯片制造和封装测试三个环节组成。郭高航表示,目前,在设计和封测领域,中国与美国等先进企业差距已经缩小了,但是制造方面还存在不少差距。

    “目前封测是在我国做得最好的,是我国在相关产业链环节发展得最快和最久的,国内最大的三家封测厂长电科技股份有限公司(长电科技)、通富微电子股份有限公司(通富微电)以及天水华天科技股份有限公司(华天科技)从2015年开始都有对国外巨头以及先进技术的封测厂商进行并购,通过并购获取了先进的技术、客户和市场。”郭高航对记者说。

    据集邦咨询拓墣产业研究院最新发布的2017年全球IC封测代工营收排行榜,在专业封测代工的部分,前三名依次为日月光、安靠、长电科技,华天科技、通富微电分别位列第6、7名。该研究院指出,中国内地封测厂商在高端封装技术(Flip Chip、Bumping等)及先进封装(Fan-In、Fan-Out、2.5D IC、SiP等)的产能持续开出,以及因企业并购带来的营收认列带动下,包含长电科技、天水华天、通富微电等厂商2017年的年营收多维持双位数成长,表现优于全球IC封测产业水平。

    此外,中国内地设立的新晶圆厂产能将陆续开出,根据企业发布的产能规划,估计2018年底前中国内地12英寸晶圆每月产能可新增16.2万片,为现有产能1.8倍,预计将为2018年中国内地封测产业注入一剂强心针。

    而在人工智能浪潮的影响下,英伟达、英特尔、高通等IT巨头都纷纷加紧AI芯片的布局,中国芯片公司也不甘落后。

    在柏林国际消费电子产品展上,华为发布了首款人工智能芯片麒麟970,是业界首颗带有独立NPU(神经网络单元)专用硬件处理单元的手机芯片。而首款采用该芯片的华为手机Mate 10也于16日在德国慕尼黑正式发布,表明中国人工智能芯片应用领域处于领先地位。

    麒麟970搭载的NPU是智能芯片研发公司寒武纪于2016年发布的寒武纪1A处理器(Cambricon-1A Processor)。今年8月,寒武纪获得1亿美元A轮融资,由国投创业(A轮领投方)、阿里巴巴创投、联想创投、国科投资、中科图灵、元禾原点(天使轮领投方)、涌铧投资(天使轮投资方)联合投资,是全球首家AI芯片领域的“独角兽”公司。

    郭高航表示,华为的麒麟970亮点也很多,和高通差距不大,甚至在一些方面领先。不过他也坦言,将海思和全球顶尖的芯片设计公司对比,还是有明显差距,海思2016年研发投入占比23%~24%,除了高通之外,和其他国际顶尖巨头相差不大,但是总的资金规模仍有较大差距。

    掌握核心技术仍需要时间

    虽然设计和封测领域已经能够追赶其他发达国家与地区,但从整体盘面来看,芯片制造方面差距则较大。

    在半导体制造过程中需要大量的半导体设备和材料,郭高航对记者指出,国内厂商在制造方面与国际先进企业存在较大差距。设备方面,北方华创的刻蚀机能做到28nm级别,但也没有大规模量产,而现在国际最先进的技术已经到7nm级别, 相差三代,光刻机领域的差距更大。

    材料端包括硅片、光刻胶、研磨材料、溅射靶材、化学气体、化学材料等,每项差距都不同。硅片方面,上海新昇进度偏慢。光照方面,中芯国际有自己附属的光照厂,覆盖28nm以上。郭高航称,国内光照厂很多关注在LED面板等低端领域。

    根据市调机构公布的晶圆产能报告,截至2016年底,在12英寸晶圆产能中,三星以22%位居全球第一,第二位是占14%的美光,SK海力士与台积电均为13%,并列第三,中芯国际(2%)与力晶科技并列第九。其中,在纯晶圆代工厂商中,中芯国际和力晶并列第四,在台积电、GlobalFoundries和联电之后。

    此外,最大的问题也许还是人才和技术存在的先天短板。

    “因为技术瓶颈的突破一定会有一个学习曲线在里边,已经领先的厂商遇到过的问题,后进者也会遇到,而且还要想办法绕过前者专利方面的问题。在研发投入方面,海思只是个例,其他中国芯片设计企业应向其学习。还有人才方面,由于中国半导体产业框架从2015年开始才逐步完善,因此产业氛围不足,人才体系的培养也还不成形。不过,随着产业氛围越来越浓厚,人才培养自然也会更完善,同时也会引进高端人才。2018年一大批的晶圆厂要量产。”郭高航对记者说。

    而芯片代工巨头台积电一工程师对第一财经记者也坦言,目前美国等国家都会保护先进的技术,但国内政府的鼓励措施会缩小国内公司与国外的差距。在谈到人才引入问题时,他表示,现在不少企业会开出非常高的薪资,“能诱使台积电的人跳槽的第一个原因是薪资,第二个是他们是不是真的能做他们想做的事。甚至有时候,实现自我成就会比工资更重要。”上述人士说。

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    • 在LED的制备过程中,上游的衬底材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配,这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。因此,衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石,衬底材料的技术路线必然会影响整个产业的技术路线,是整个产业链的关键。目前半导体照明主要有三条技术路线,分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国Cree为代表的碳化硅衬底LED技术路线,以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日,南昌大学联合晶能光电的江风益团队“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类唯一的一等奖,LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖,说明硅衬底已被国家证实可行,并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。 GaN基LED三种主要衬底材料对比 LED各种衬底材料的市场占有率 蓝宝石(Al2O3)衬底 2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布:赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于,1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来,基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛,占据了衬底市场90%以上的市场份额,成为目前市场上的主流技术路线。 蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料,蓝宝石具有高温下(2000℃)化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。 蓝宝石衬底也有缺点,比如:第一,晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;第二,蓝宝石是绝缘体,电阻率很大,无法制成垂直结构的器件;第三,通常只在外延层上表面制作N型和P型电极,造成了有效发光面积减少,材料利用率降低;第四,蓝宝石的硬度非常高,仅次于金刚石,难以对它进行薄化和切割;第五,蓝宝石导热性能不是很好,因此在使用LED器件时,会传导出大量的热量,对面积较大的大功率器件,导热性能是一个非常重要的考虑因素。 目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟,不足方面虽然很多,但都被逐个克服,例如:过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题;采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题;不易切割的问题可以通过雷射划片机解决;由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过,江风益认为,蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延,且因蓝宝石散热性能差,又难以剥离衬底,故在大功率LED 方面具有性能局限性。 蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面,国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家,2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距,代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面,国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中国科学院半导体所等研究单位外,三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。 蓝宝石材料目前生产能力过剩,低端市场竞争激烈。为延长LED产业链,应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底(PSS)、半球形和锥形图形衬底,以及激光诱导湿法刻蚀(LIBWE)、干法刻蚀等技术。同时,推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。 碳化硅(SiC)衬底 SiC具有优良的热学、力学、化学和电学性质,不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一,而且可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料,打破了蓝宝石一统天下的局面,尤其在路灯和室外照明领域具有巨大的市场潜力。在半导体领域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 两种。 碳化硅与蓝宝石相比,在结构上,蓝宝石不是半导体而是绝缘体,它只能做单面电极;碳化硅是导电的半导体,它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上;蓝宝石本身是热的不良导体,并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶,银胶的传热性能也很差。而使用碳化硅衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样又提高了出光效率。 在碳化硅衬底领域,美国Cree几乎垄断了优质碳化硅衬底的全球供应,其次是德国SiCrystal、日本新日铁、昭和电工、东纤-道康宁。我国企业实力较弱,国内能生产和加工碳化硅衬底的企业或机构有北京天科合达、山东天岳、山东大学、中国科学院物理所、中国科学院上海硅酸盐所、中国电子科技集团46所等。2015年7月,山东天岳自主研制的一款4英寸高纯半绝缘碳化硅衬底产品面世。 用碳化硅做光电器件衬底主要挑战是成本仍相对较高、技术门槛较高和专利技术不足,面临着行业垄断者的专利威胁。不过LED市场有高中低端之分,碳化硅衬底LED定位在高端。大功率LED市场需求巨大,碳化硅材料性能优越,具有功率大、能耗低、发光效率高等显著优势,可以很好满足大功率LED需求。 硅(Si)衬底 硅片作为GaN 材料的衬底有许多优点,如晶体品质高,尺寸大,成本低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。 由于单晶硅材料生长技术成熟度高,容易获得低成本、大尺寸(6-12 英寸)、高质量的衬底,可以大大降低LED 的造价。并且,由于硅单晶已经大规模应用于微电子领域,使用单晶硅衬底有望实现LED 芯片与集成电路的直接集成,有利于LED 器件的小型化发展。因此使用单晶硅作为LED 衬底一直是本行业梦寐以求的事情。此外,与蓝宝石相比,单晶硅在性能上还有一些优势:热导率高、导电性好,可制备垂直结构,更适合大功率LED 制备。 然而与蓝宝石和SiC 相比,在Si 衬底上生长GaN 更为困难,主要体现在:(1)两者之间的热失配和晶格失配更大;(2)Si 与GaN 的热膨胀系数差别也将导致GaN 膜出现龟裂;(3)晶格常数差会在GaN 外延层中造成高的位错密度;(4)Si 衬底LED 还可能因为Si 与GaN 之间有0.5 V 的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p 型掺杂效率低,导致串联电阻增大;(5)Si 吸收可见光会降低LED 的外量子效率。 从1999年第一个GaN/Si LED出现,到2002 年商品化GaN/Si LED 就已经问世,但是由于性能与蓝宝石及碳化硅制备的LED相差很大而没有被广泛应用。2010 年德国Azzurro 公司授权GaN-on-Si 技术予德国Osram 公司。2013 年4 月日本东芝公司收购美国普瑞光电(Bridgelux) 的技术,并开始8 英寸GaN-on-Si 外延片生产。国内江西晶能光电公司早在2012 年就宣布批量生产HB-LED 芯片;江西晶瑞光电也已推出了类似性能的LED 产品。 晶能光电的硅衬底技术,具有完全自主的知识产权,形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术路线三足鼎立的局面。中国LED产业只有打破国际巨头的技术、专利垄断,掌握核心技术,才能真正实现由“跟随”到“跨越”的转变。