成立不到一年便实现封装设备国产化零的突破，这家牛逼的公司靠什么打破瓶颈？
提到半导体设备产业，很多人第一个想到的可能是光刻机。但实际上，封装作为半导体制作过程中的最后一个环节，同样是技术壁垒极高，且长期被欧美日厂商垄断的核心技术。
而这家成立不到一年的公司，就已打破长期被国外垄断的封装设备IC球焊机（Ball Bonder）领域，其产品已经进入国内排行前三的IC封装企业并且达到了世界一流的水平。
这家公司叫凌波微步，刚刚完成数千万A轮融资，由创新工场独家投资。其核心员工都来自K&S，ASM 等企业，拥有 20 年以上的半导体设备行业经验。
现在，凌波微步是国内唯一一家单一客户保有量超百台，且达到规模化生产的IC球焊设备厂商。
凌波微步半导体科技有限公司成立于2020年12月，主要专注于半导体封装后工序设备研发、生产和销售。凌波微步员工共有70人，其中研发人员20人。核心技术人员主要来自于K&S、ASM等国际半导体设备企业，普遍拥有20年以上的半导体设备行业经验。其生产基地位于常熟，面积接近一万平米，并在深圳和新加坡设有研发中心。
他本人毕业于香港理工大学，拥有工业自动化硕士学位，从事半导体设备行业已有30余年，曾在ASM、太古科技、香港新科等厂商任职。李焕然自认比较喜欢挑战，自2005年开始，创办了多家半导体封装设备公司，曾为德国Hesse设计的自动送料系统是全球销量最大的高端半导体楔焊系统。
2019年，李焕然开始组织团队研发IC球焊机技术，之后创办了凌波微步，开始设计、生产半导体球焊机。如今，凌波微步的球焊机已出货数百台。
球焊机的生产流程包括零部件设计、加工、组装和整机、程序的设计组装等。凌波微步产品的零部件组装由供应商进行，其余设计、组装、调试和质量控制等流程由凌波微步自行完成。
当前凌波微步位于常熟的生产基地已经开始逐步实现量产，全部产线量产后，预计IC球焊机产能在一年1500台-2000台之间，其产能大概可以占到国内IC球焊机市场的20%-30%，销售价格大概在25万元-30万元左右。
3大核心技术实现高速、高精度引线键合
半导体封装工艺可以分为传统封装和先进封装。当前，集成电路的封装绝大多数都是采用传统封装，其中一个关键的工序是引线键合（Wire Bonding）。这一工序通过热压力和超声波能量，使金属线在芯片的焊盘和基板之间连接足够紧密，以实现芯片与基板、芯片与芯片之间的互连。
引线键合工序的核心设备就是IC球焊机，占到了键合设备市场的90%以上。此外，IC球焊机也可用于先进封装中。当前IC球焊机已经综合了超声波焊机、运动控制、精密机械等各类技术，速度精度要求接近物理极限，技术门槛较高。
和光刻机等半导体设备不同，IC球焊机市场的知名度并不高，缺乏明星效应。这也导致IC球焊机市场和大多数半导体设备市场一样被少数国际巨头所垄断。此前，还没有国产厂商在这一市场实现量产。
李焕然称，凌波微步已率先打破了技术壁垒，实现了数百台IC球焊机在国内的量产销售。其IC球焊机具备“快、准、稳、慧”4个特点，球焊机的XY平台加速至100公里/小时仅需0.2秒，Z轴焊头加速至这一速度仅需0.02秒；而在高速运动后，XY平台可以精确停在所需位置，精度在±2微米内；同时，焊接力度能够掌握在±1g；该设备也实现了较高的智能化、自动化。
凌波微步也有3项核心技术，分别是VR线弧、全闭环力控和20K采样频率运动控制。
其中VR线弧可以通过可视化的方法保持线弧形状，加强引线键合质量；全闭环力控也就是凌波微步球焊机能够全程掌握焊接力度的秘诀，保证焊接力度按预定曲线变化；20K采样频率运动控制则是维持设备高精度、高速运行的核心。
目前，凌波微步在焊线精度、量产稳定性、焊接范围和适应金、银、铜、铝等材料上都达到了国际厂商的产品标准。凌波微步还引入了云端互联技术和AI技术，简化了客户操作。
和国外厂商相比，凌波微步的一大优势在于可以更便捷地和国产厂商沟通，为国产厂商提供个性化的服务，按照其物料的变化调整及其参数。
半导体IC球焊设备为什么难突破
目前集成电路的封装绝大多数都采用传统封装。传统封装的一个关键工序叫做“引线键合”，或者“wire bonding”。引线键合是采用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与芯片焊盘和基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通，是集成电路封测最重要的一环。
而IC球焊机 (Ball Bonder)正是芯片引线键的核心设备，被誉为是封装设备的“皇冠”。IC球焊机技术难度很高，速度精度要求接近物理极限。用一个形象的比喻，如果法拉利F430由起步加速至100公里/小时仅需4秒，那么IC球焊机的XY平台只需0.2秒，是其20倍;Z轴焊头更只需0.02秒，是其200倍。
以IC球焊机为例的半导体设备产业的壁垒一直很高，因为它涉及到机械结构、运动控制、机器视觉等多交叉学科，是集高速度、高精度、稳定可靠于一体的工业机械设备。这一方面告诉我们设备国产化不容易，另一方面也揭示了国产突破的锚点是一系列综合性技术。
因为球焊机并不单纯是单方面的某一点，一定是包括运动控制、精密机械和图像处理，以及超声波技术的综合应用，每一方面都能够做到精细、做到极致，这是IC球焊机设备的要求。从国产设备来讲，首先要进入一些少线和分立器件的市场，然后逐渐拓展到增加精度、增加稳定性，拓展到多线和高端的键合市场。少线的市场比如SOP封装市场，多线就是BAG封装和存储封装市场。
随着全球半导体行业的景气度提升，以及中国半导体行业的高速发展，快速拉动了我国尚处于追赶阶段的半导体设备行业，给国产设备带来了机遇。
就像凌波微步所处的IC球焊机赛道，目前中国IC球焊机市场过往多年都是由国际厂商主导。一旦国产技术得到突破，借助市场供给不足，以及价格和本土服务的优势（据悉，凌波微步的IC球焊机每台售价约5万美金，折合30万人民币），不论是中小型的封装厂、IDM还是国内大型的封装厂，对待国产设备的态度都是很开放的。
在封测设备市场，2019年的销售额是42亿美元，2020年是50亿美元。另外，根据国际半导体协会的最新数据，2021年第二季度全球半导体设备的订单增长48%，创下249亿美元的历史新高。其中，中国大陆第二季度的半导体设备订单更是飙升79%，达到82.2亿美元。
说完半导体封装设备，咱们再来聊聊半导体封装技术。随着摩尔定律面临诸多瓶颈、先进工艺逼近物理极限，业界普遍认为，先进封装会成为下一阶段半导体技术的重要发展方向。
半导体大厂争相布局先进封装技术
在近日召开的线上技术研讨会中，台积电副总裁余振华分享了台积电在先进封装上的一些发展现状和未来规划。余振华强调，台积电将SoIC、CoWoS、InFO-R、CoW、WoW等先进封装技术平台加以整合，统一命名为“TSMC 3DFabric”。此平台将提供芯片连接解决方案，满足用户在整合数字芯片、高带宽存储芯片及特殊工艺芯片方面的需求。台积电认为，芯片在2D层面的微缩已不能满足异构集成的需求，3D才是未来提升系统效能、缩小芯片面积、整合不同功能的发展趋势。
英特尔也在日前举办的架构日活动上介绍了新的先进封装技术——“混合结合(Hybrid bonding)”。当前，多数封装技术采用“热压结合(thermocompression bonding)”，而“混合结合”能够实现10微米及以下的凸点间距，较Fovreros封装的25~50微米凸点间距有了明显提升，并且优化芯片的互连密度、带宽和功率表现，进一步提升芯片系统的计算效能。使用“混合结合”技术的测试芯片已在2020年第二季度流片。
专业封测代工(OSAT)厂商对先进封装同样极为重视。长电科技技术市场副总裁包旭升在接受采访时表示：“目前我们重点发展几种类型的先进封装技术。首先是系统级封装(SiP)，随着5G的部署加快，这类封装技术的应用范围将越来越广泛。其次是应用于Chiplet SiP的2.5D/3D封装，以及晶圆级封装，并且利用晶圆级技术在射频特性上的优势推进扇出型(Fan-Out)封装。此外，我们也在开发部分应用于汽车电子和大数据存储等发展较快的热门封装类型。”
事实上，国内三大封测公司均在加大先进封装上的投入力度。财报中，长电科技表示2020年下半年将继续深化总部功能整合，加大先进封装工艺及产品的研发投入，积极搭建设计服务新业务平台，不断强化长电科技核心竞争力并在工厂端落实。
华天科技2020年上半年在先进封装方面的研发费用达2亿元，同比增长15.41%，占营业收入比例为5.4%。
2020年上半年，通富微电在2D、2.5D封装技术研发上取得突破，Si Bridge封装技术研发拓展，Low-power DDR、DDP封装技术研发取得突破。
总之，在市场需求的增长下，越来越多先进封装技术被开发出来，先进封装的市场占比将会进一步扩大。
统计数据显示，从2017年到2023年，整个半导体封装市场的营收将以5.2%的复合年增长率增长，而先进封装市场将以7%的复合年增长率增长，市场规模到2023年将增长至390亿美元。另一方面，传统封装市场的复合年增长率则低于3.3%。
先进封装技术持续演进
传统上，封装的目的是将切割好的芯片进行固定、引线和塑封保护。但随着半导体技术的发展，越来越多前道工艺需要完成的步骤被引入后道工艺当中，两者的界限变得越来越模糊。随之而来的是，越来越多超越传统封装理念的先进封装技术被提出。
据包旭升介绍，先进封装主要涉及芯片厚度减小、尺寸增大及其对封装集成敏感度的提高，基板线宽距和厚度的减小，互联高度和中心距的减小，引脚中心距的减小，封装体结构的复杂度和集成度提高，以及最终封装体的小型化发展、功能的提升和系统化程度的提高。
先进封装的关键工艺涉及芯片互联(WB/打线、FC/倒装、RDL/重布线、TSV/硅穿孔、DBI等)和基板(金属框架、陶瓷基板、有机基板、RDL stack/重布线堆叠、异构基板、转接基板等)，芯片、器件的保护与散热(塑封、空腔、FcBGA和裸芯片/WLCSP等)，以及不同引脚形式(Lead、Non-lead、BGA等)的结合。
SiP是当前应用最为广泛的先进封装技术之一，是先进封装中带有系统功能的多芯片与器件的一种封装形式的总称。SiP可以将一颗或多颗芯片及被动元件整合在一个封装模块当中，从而实现具有完整功能的电路集成。这种封装方式可以降低成本，缩短上市时间，同时克服了芯片系统集成过程中面临的工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难题。
随着先进封装技术的发展，一种“小芯片(Chiplet)”的发展理念又被提出，成为当前封装领域最热门的话题之一。包旭升认为，Chiplet其实也可以算是一种SiP技术，是系统级芯片(SoC)中IP模块的芯片化。其主要目的是为了提高良率和降低成本，同时提高设计的灵活度，缩短设计周期。一般来说，一颗SoC芯片中会包含许多不同的IP模块，随着芯片制造工艺已经演进到7/5nm，但并不是所有IP模块都需要做到7/5nm，把一些IP模块单独拿出来，做成一个标准化功能的小芯片，这个就可以称为Chiplet。它相当于一个标准化的元件，当这个单独的标准化元件制造完成之后，可以再和其他的功能模块，如存储芯片、应用处理器等封装在一起，做成一个SiP模块，执行复杂的功能。
对此，半导体专家莫大康指出，人们在不断探索采用多芯片异构集成的方式，把一颗复杂的芯片分解成若干个子系统，其中一些子系统可以实现标准化，然后就像IP核一样把它们封装在一起。Chiplet或许将成为未来芯片制造当中一个重要的发展方向。
将来很难清楚划分前段晶圆制造工艺与后段封装。比如Chiplet就是一种单元库，谁有需要谁就可以调用。对于从业者来说，晶圆厂也在做封装。如果我们的封装厂只停留在封装阶段，不懂晶制造、不懂设计，恐怕封装也很难搞好，将无法适合未来的竞争形势。
未来，随着技术的发展，制造与封装的竞合关系也在不断演进当中。
文章来源： 芯东西，半导体行业观察