前不久，位于蘇州相城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的晟盈半導(dǎo)體（SWAT）向一家國(guó)內(nèi)知名驅(qū)動(dòng)IC制造公司交付了一臺(tái)ECD平臺(tái)，引發(fā)業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。這臺(tái)金凸塊全自動(dòng)電化學(xué)沉積（電鍍）設(shè)備不僅是該領(lǐng)域首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，也代表著國(guó)內(nèi)電化學(xué)沉積技術(shù)在大尺寸金凸塊先進(jìn)封裝領(lǐng)域取得了新的突破。

封裝技術(shù)進(jìn)步是推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。作為生產(chǎn)過(guò)程中的核心技術(shù)之一，電化學(xué)沉積ECD設(shè)備可以支持系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、晶圓級(jí)封裝（WLP）等先進(jìn)封裝技術(shù)。隨著摩爾定律逐漸走到物理極限，集成電路的技術(shù)路線呈現(xiàn)出從2維向3維發(fā)展的趨勢(shì)。尤其在高性能芯片的制造方面，先進(jìn)封裝承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)超越摩爾的技術(shù)使命，市場(chǎng)需求維持較高速度的增長(zhǎng)，帶動(dòng)行業(yè)產(chǎn)值快速提升，使得電化學(xué)沉積ECD設(shè)備迎來(lái)了需求爆發(fā)期。在這個(gè)時(shí)期中，國(guó)內(nèi)廠商的機(jī)會(huì)在哪里？

半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備國(guó)產(chǎn)瓶頸

電子電鍍可以界定為用于電子元器件制造的電鍍技術(shù)有別于常規(guī)電鍍，電子電鍍的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括芯片大馬士革互連、印制板（Printed Circuit Board, PCB）電鍍、引線框架電鍍、連接器電鍍、微波器件等其他電子元器件制造。作為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)電子邏輯互連和微納結(jié)構(gòu)制造加工成形的關(guān)鍵技術(shù)，電子電鍍成為芯片制造、三維集成和器件封裝、微納器件制造、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、傳感器、元器件等高端電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的基礎(chǔ)性、通用性、不可替代性技術(shù)。從芯片的銅互連技術(shù)、封裝中電極凸點(diǎn)電鍍技術(shù)、引線框架的電鍍表面處理到印制線路板、接插件的各種功能電鍍，電子電鍍技術(shù)應(yīng)用貫穿高端電子制造的全部流程，并且在MEMS、微傳感器等微納器件制造中的應(yīng)用不斷拓展。因此，與常規(guī)的裝飾性、防護(hù)性電鍍相比，芯片制造電子電鍍?cè)诜N類、功能、精度、質(zhì)量和電鍍工藝等方面具有極高的技術(shù)要求，其發(fā)展水平直接決定了高端電子制造業(yè)的技術(shù)水平。

在芯片制造中，電子電鍍與光刻技術(shù)同等重要：光刻技術(shù)在硅片上制作出高度集成的晶體管，形成芯片的“腦細(xì)胞”；電子電鍍技術(shù)制作晶體管之間邏輯互連的電子導(dǎo)線，形成芯片的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。芯片制造電子電鍍工藝的技術(shù)難點(diǎn)是要在保證小尺寸、大深徑比結(jié)構(gòu)填充能力的同時(shí)提高互連線電性能、可靠性和平坦化潛力。從工藝角度，需要篩選大量添加劑品類，并在低于1?mg?L-1的濃度范圍精細(xì)調(diào)控多種添加劑配比；從材料角度，需要采用超純鍍液、添加劑等高端電子化學(xué)品，其雜質(zhì)濃度要控制在μg L-1以下；從設(shè)備角度，需要合理設(shè)計(jì)電、熱、液流等多場(chǎng)耦合作用以及高精度調(diào)控。

我國(guó)芯片制造電子電鍍專用化學(xué)品和裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，“卡脖子”問(wèn)題十分突出，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

一是電子電鍍專用化學(xué)品瓶頸。超純鍍液可覆蓋到14?nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)品已在12英寸產(chǎn)線應(yīng)用，但基本原材料仍然嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

二是電子電鍍裝備瓶頸。國(guó)內(nèi)晶圓級(jí)先進(jìn)封裝的電子電鍍裝備初步具備量產(chǎn)化生產(chǎn)能力。但7?nm以下互連沉積設(shè)備、在線分析檢測(cè)儀器、鍍液檢測(cè)分析儀器均被美國(guó)廠商壟斷，且國(guó)產(chǎn)儀器中關(guān)鍵零部件仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口。面向鈷互連的物理氣相沉積和電子電鍍?cè)O(shè)備，國(guó)內(nèi)目前還是空白。

三是電子電鍍工藝技術(shù)瓶頸。我國(guó)目前采用的電子電鍍工藝技術(shù)包括大馬士革成形、先進(jìn)封裝、引線框架電鍍、有機(jī)基板電鍍等，主要由美國(guó)和日本引進(jìn)。目前芯片電子互連的最佳工藝是大馬士革工藝，產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的主流技術(shù)是大馬士革銅互連，這也是電子電鍍眾多應(yīng)用技術(shù)中難度最大、指標(biāo)要求最高、國(guó)外壟斷最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)之一。我國(guó)目前采用的電子電鍍工藝技術(shù)路線大都由國(guó)外引進(jìn)，通過(guò)引進(jìn)吸收再創(chuàng)新， 14?nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路互連電鍍已基本實(shí)現(xiàn)自主化，先進(jìn)集成電路封裝電鍍部分技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平。但是，涉及填充能力、鍍層品質(zhì)、可靠性的核心技術(shù)專利，難以實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的升級(jí)換代，對(duì)基礎(chǔ)和共性技術(shù)自主掌控需求迫切。

我國(guó)芯片制造先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)所用電子電鍍材料、設(shè)備的自主協(xié)調(diào)發(fā)展，主要面臨三個(gè)方面的問(wèn)題：一是電子電鍍產(chǎn)品化門(mén)檻高，我國(guó)研發(fā)起步晚，且受到外國(guó)技術(shù)封鎖，客觀技術(shù)差距大；二是市場(chǎng)小，回報(bào)低，但研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，單憑企業(yè)投入，資金缺口嚴(yán)重；三是缺乏先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的互連圖形芯片制造能力，技術(shù)驗(yàn)證受限。我國(guó)電子電鍍產(chǎn)業(yè)面臨的重點(diǎn)技術(shù)難題包括鍍液、添加劑的成分提純，添加劑配方的開(kāi)發(fā)和高精密度濕法電鍍?cè)O(shè)備的研制。

在新型電子電鍍材料方面，我國(guó)還處于發(fā)展初期，主要還是根據(jù)國(guó)外先進(jìn)思路進(jìn)行學(xué)習(xí)和仿照。目前，隨著芯片尺寸縮小，孔尺寸也需要進(jìn)行相應(yīng)的縮小，導(dǎo)致單一金屬材料電阻率急劇上升，如隨著特征線寬尺寸降低到14?nm以下，銅互連線路中的電阻率呈指數(shù)級(jí)增大，導(dǎo)致阻容延遲和焦耳熱顯著增加【13].高結(jié)晶度銅（單晶銅、納米孿晶銅等）互連理論上可極大改善銅電遷移，解決銅錫合金化和柯肯達(dá)爾孔洞等問(wèn)題，有望大幅改善銅互連性能、提高可靠性。根據(jù)理論計(jì)算，使用單晶銅，可以提高電導(dǎo)率，降低趨膚效應(yīng)所造成的信號(hào)損失，有可能替代傳統(tǒng)的焊接模式，直接進(jìn)行同層互連。金屬鈷因具備短平均電子自由程（λ=10nm）、優(yōu)異的抗電遷移（擴(kuò)散活化能小至為1?eV）和擴(kuò)散阻擋性能，成為芯片中備受青睞的新一代互連材料。大馬士革電鍍鈷工藝用于14?nm以下的互連層已有研究，但尚未獲得商業(yè)上的廣泛應(yīng)用。新型金屬合金（銅鋁合金、鎳合金等）、先進(jìn)碳材料等也被提出應(yīng)用于先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)互連，是未來(lái)芯片互連的關(guān)鍵研究方向，目前正處于研發(fā)階段。

隨著后摩爾時(shí)代的到來(lái)，先進(jìn)集成封裝技術(shù)被推向舞臺(tái)的正中央，多種先進(jìn)封裝技術(shù)與先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)融合趨勢(shì)明顯。先進(jìn)集成封裝是將更多裸芯片像疊床架屋一樣堆放在一起并塞進(jìn)一個(gè)封裝空間內(nèi)。而且，還要在這些水平、垂直方向堆疊的裸芯片之間通過(guò)最小尺寸導(dǎo)電通道互連起來(lái)。其中，實(shí)現(xiàn)裸芯片厚度方向電氣連接的通道即是硅通孔技術(shù)（Through-Si-Via, TSV）。三維集成封裝技術(shù)通過(guò)晶圓或芯片的縱向堆疊大幅提高集成度，是電子封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)， TSV電鍍則是三維集成封裝的核心。 TSV電鍍正不斷朝開(kāi)口更小、深徑比更大的方向發(fā)展。其中，有機(jī)添加劑體系（抑制劑、整平劑和加速劑）配方是實(shí)現(xiàn)深孔電鍍的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

國(guó)際市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)本土廠商發(fā)展

國(guó)產(chǎn)ECD設(shè)備的成功交付，帶來(lái)了什么信號(hào)？

從市場(chǎng)側(cè)來(lái)看，國(guó)內(nèi)ECD設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大。中國(guó)是全球第一大半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期向好。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委數(shù)據(jù)顯示，2023年中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模將達(dá)到52萬(wàn)億元，2032年將達(dá)到100萬(wàn)億元。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)持續(xù)壯大，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。加之，近年來(lái)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在努力完善產(chǎn)業(yè)鏈，補(bǔ)齊短板，政策與市場(chǎng)雙重驅(qū)動(dòng)，給產(chǎn)業(yè)鏈上游的設(shè)備與材料領(lǐng)域發(fā)展提供了極大的機(jī)遇。

從產(chǎn)業(yè)側(cè)來(lái)看，當(dāng)前新型市場(chǎng)需求的快速擴(kuò)張引發(fā)了產(chǎn)業(yè)格局的變化，集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)、晶圓制造廠商、終端企業(yè)都有布局半導(dǎo)體封裝測(cè)試的趨勢(shì)，先進(jìn)封裝領(lǐng)域新創(chuàng)企業(yè)也層出不窮。在國(guó)際貿(mào)易關(guān)系不確定性增加疊加疫情導(dǎo)致供應(yīng)鏈不穩(wěn)定性提升的背景下，主要封測(cè)廠商持續(xù)加大對(duì)本土設(shè)備材料廠商的支持力度，有力促進(jìn)了本土封測(cè)設(shè)備材料廠商技術(shù)和規(guī)模提升。

但是電化學(xué)沉積技術(shù)終究具有較高的技術(shù)門(mén)檻，沒(méi)有豐厚的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)積淀根本不可能在短時(shí)間內(nèi)取得成績(jī)。以晟盈半導(dǎo)體（SWAT）為例，他們的關(guān)鍵團(tuán)隊(duì)有著豐富的半導(dǎo)體設(shè)備開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，曾經(jīng)主導(dǎo)ECD設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)，成功地使新設(shè)備進(jìn)入國(guó)際一流半導(dǎo)體公司（臺(tái)積電、三星、英特爾，IBM）并成為這些公司新產(chǎn)品生產(chǎn)的主流設(shè)備。在這臺(tái)金凸塊全自動(dòng)電化學(xué)沉積(電鍍)設(shè)備交付之前，晟盈半導(dǎo)體（SWAT）已實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電化學(xué)沉積設(shè)備在銅互連(RDL)及銅柱（Pillar）應(yīng)用并轉(zhuǎn)量產(chǎn)驗(yàn)證，獲得了國(guó)內(nèi)多家先進(jìn)封測(cè)公司的信任。

由此我們也可以窺見(jiàn)半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素，這些也將成為驅(qū)動(dòng)中國(guó)本土半導(dǎo)體設(shè)備制造能力快速發(fā)展的硬實(shí)力。第一，需要有領(lǐng)先的技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)需求正在發(fā)生日新月異的變化，企業(yè)需要緊跟市場(chǎng)需求變動(dòng)提前研發(fā)新的技術(shù)。第二，產(chǎn)品要有較高的可靠性和穩(wěn)定性，半導(dǎo)體生產(chǎn)對(duì)設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性要求很高，新設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、交付和維護(hù)每個(gè)環(huán)節(jié)都要保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。第三，設(shè)備要有高性價(jià)比，集成電路芯片越來(lái)越復(fù)雜、價(jià)格越來(lái)越便宜，設(shè)備一定要做到成本低、產(chǎn)能大，才能更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

ECD設(shè)備起步于封裝市場(chǎng)對(duì)于前沿技術(shù)需求的渴望，擁有穩(wěn)定且更寬的市場(chǎng)拓展空間。晟盈半導(dǎo)體（SWAT）總經(jīng)理劉震球博士認(rèn)為，進(jìn)一步智能化和互聯(lián)互通是工業(yè)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，中國(guó)具有龐大的市場(chǎng)、而且在新技術(shù)推廣應(yīng)用上領(lǐng)先于其它經(jīng)濟(jì)體。半導(dǎo)體集成電路在該發(fā)展趨勢(shì)中居關(guān)鍵地位，ECD設(shè)備也是集成電路制造的關(guān)鍵設(shè)備。晶圓級(jí)ECD設(shè)備的第一梯隊(duì)一直是幾家美國(guó)公司，為了適應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國(guó)際發(fā)展方向，中國(guó)半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)本土化。對(duì)此，劉震球博士針對(duì)晟盈半導(dǎo)體（SWAT）的發(fā)展制定了兩步走的方案：第一步，從后道先進(jìn)封裝進(jìn)行開(kāi)局，同步進(jìn)行前道晶圓生產(chǎn)ECD工藝的研發(fā)。這一步已于今年順利實(shí)現(xiàn)。第二步，實(shí)現(xiàn)在前道晶圓生產(chǎn)ECD工藝的國(guó)產(chǎn)替代，首臺(tái)樣機(jī)計(jì)劃于2024年中交付國(guó)內(nèi)FAB廠進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。


國(guó)產(chǎn)電鍍技術(shù)已實(shí)現(xiàn)飛躍

目前，盛美上海獨(dú)創(chuàng)的電鍍技術(shù)已在前道雙大馬士革和先進(jìn)封裝、3D TSV 以及第三代半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，并分別推出Ultra ECP map（前道銅互連電鍍?cè)O(shè)備）、Ultra ECP ap、Ultra ECP 3d、Ultra ECP GIII等設(shè)備。無(wú)論是多圓環(huán)陽(yáng)極技術(shù)、第二陽(yáng)極技術(shù)，還是高速電鍍技術(shù)等，都在客戶端產(chǎn)線表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

“重點(diǎn)介紹一下高速電鍍技術(shù)，盛美上海在2019年開(kāi)發(fā)出該技術(shù)，2020年推向市場(chǎng)，2021年應(yīng)用在了SnAg上，并且采用自主設(shè)計(jì)的paddle，根據(jù)需求對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化?！辟Z照偉介紹道，一方面采用高速鍍層技術(shù)，能提高銅（Cu）和錫銀（SnAg）的鍍層性能；另一方面使用高速電鍍技術(shù)在Cu-Ni-SnAg 結(jié)構(gòu)的銅柱鍍層產(chǎn)品上，更能提高吞吐量和縮短工藝時(shí)間。

據(jù)悉，高速銅電鍍技術(shù)已被應(yīng)用于盛美上海的Ultra ECP ap電鍍?cè)O(shè)備，該設(shè)備可執(zhí)行許多關(guān)鍵的晶圓級(jí)封裝電鍍工藝，包括銅凸塊和高密度扇出（HDFO）工藝，并借助專門(mén)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速均勻的電鍍。該設(shè)備在銅、鎳、錫、銀和金電鍍過(guò)程中表現(xiàn)十分亮眼。

目前，盛美上海Ultra ECP ap產(chǎn)業(yè)化成果頗豐，已被多家客戶用于其先進(jìn)的晶圓級(jí)封裝制程中。今年2月，盛美上海收到8臺(tái)Ultra ECP ap先進(jìn)封裝電鍍?cè)O(shè)備的多個(gè)采購(gòu)訂單；5月，盛美上海與一家中國(guó)先進(jìn)晶圓級(jí)封裝客戶簽訂了10臺(tái)Ultra ECP ap高速電鍍?cè)O(shè)備的批量采購(gòu)合同。

此外，今年7月，盛美上海與上海華力申報(bào)的“前道銅互連電鍍?cè)O(shè)備”獲得中國(guó)集成電路創(chuàng)新聯(lián)盟主辦的第五屆“集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)”的殊榮，這份榮譽(yù)肯定了盛美上海在集成電路技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化方面取得的突出業(yè)績(jī)。

目前，先進(jìn)封裝勢(shì)頭強(qiáng)勁，國(guó)內(nèi)封測(cè)廠商持續(xù)擴(kuò)張先進(jìn)封裝產(chǎn)能，國(guó)產(chǎn)化設(shè)備進(jìn)程加快。