半导体供应链重构，工控自动化赋能自主可控

汽车 2024-12-24 17:40 广东

国际风云变幻，全球半导体供应链重构，刺激中国芯片厂商加紧重新组建自主可控的产业生态系统。总体而言，国内半导体装备业在前道制造环节相较于海外头部企业还有不小的差距，但在先进封装领域的追赶距离可能相对会更近一些。与全球IC制造产业大潮相呼应，在新一轮中国半导体装备业的升级过程中，本土工控自动化企业正积极参与其中，并竭力发挥出自己的创新能量。

2024年已近尾声，全球半导体产业供应链的重构格局愈发突显，11月5日消息，据《华尔街日报》报道，在美国政府的最新指令下，美国半导体企业正在将中国公司从自己的供应链当中剔除；美国财政部近期公布，限制美国资金投资在中国人工智能（AI）等先进科技领域的新规例已经准备就绪，明年1月2日开始生效。另据悉，台积电已经给中国客户发了最新邮件，内容是从11月11日起，中国的AI和GPU客户被暂停供应7nm和更先进工艺产能。而在11月5日进博会的开幕当天，阿斯麦公司代表也表示其“在中国的业务聚焦于生产主流芯片的成熟制程领域”。

全球“芯片战”加剧，一方面阻碍了现阶段中国半导体先进制程的开发与应用，严重影响到国内AI人工智能产业的未来发展；另一方面，也进一步刺激到中国芯片厂商加紧重新组建新的产业生态系统，尽管这将是一个非常漫长的过程。可以预见的是，在整个产业自主可控、制造业转型升级的大背景下，半导体设备行业仍将保持稳健的增长，释放出对部件与系统的强大需求。

根据国际芯片行业组织SEMI的最新统计显示，2024年第二季度全球半导体设备出货金额同比增长4%，达到268亿美元，同期环比微幅增长1%。其中，中国大陆今年第二季度半导体设备出货金额122.1亿美元，同比大增62%(如图1所示)；预计2024年全年，中国大陆的芯片制造设备支出将首次突破400亿美元大关，显示出中国大陆在半导体产业上的巨大投入和决心。与此同时，SEMI表示，在2024年至2027年期间，中国大陆仍然保持着全球最大芯片制造设备市场的地位，中国大陆在半导体工厂设备上的支出将达到1444亿美元，高于韩国的1080亿美元、中国台湾的1032亿美元、美洲的775亿美元和日本的451亿美元。

图1 2024年上半年全球各区域半导体设备支出统计（单位：十亿美元）

工控自动化厂商积极参与

总体而言，当前，国内半导体装备业在前道制造环节相较于海外头部企业还有不小的差距，但在先进封装领域的追赶距离可能相对会更近一些。

与全球IC制造产业大潮相呼应，随着AI人工智能、5G通讯、自动驾驶、元宇宙等新兴产业的快速崛起，高速运算、高速传输、低耗电及低延迟的先进芯片被用于实现海量数据处理，新型态的先进封装架构与设计概念由此应运而生。以2.5D和3D封装为代表的芯片堆叠技术不断推动晶圆减薄工艺的发展，应对晶圆减薄所带来的一些物理难题，已成为多层晶圆堆叠技术成功与否的关键。

例如，先进封装的高集成度所带来的晶圆薄化趋势，推高了键合机精确控制的难度，对设备的稳定性、耐久性也带来了重大挑战。为了强化2.5D或3D封装中的HBM、GPU、CPU、FPGA等处理器之间的彼此整合，以台积电的SoIC和英特尔的Foveros为代表的封装类型都需用到混合键合技术。面向3D封装集成应用领域，晶圆高速高精度对准技术、混合键合实时对准技术等，能够实现较高的晶圆键合精度（亚微米级），有效提升芯片间的通信带宽及芯片系统性能，并提高设备产能，这些都是现在相关设备厂商开发的重点。

目前，在半导体/泛半导体高端制造装备领域，内部运动控制模块、系统的主要供应商有ACS、Aerotech、欧姆龙、Beckhoff、ELMO等，这些厂商为半导体制造前道蚀刻、化学机械抛光（CMP）、原子层沉积（ALD）、晶圆量测/检测、固晶/贴片、引线键合、晶圆切割等工序提供了先进的网络运动多轴控制器和完整的高精密运动控制解决方案；除此之外，正运动技术、固高科技等也是这一市场中的佼佼者。

多自由度精密运动平台是晶圆制造和检测过程中要用到的核心部件之一，一般是采用模块化、集成化、超薄化等设计理念，基于直线电机、音圈电机、力矩电机等基础部件及先进的驱控技术，搭建出符合特定应用需求的、从单轴驱动独立控制到高性能多轴控制的硬件解决方案，如：单轴位移平台、XY运动平台、ZT运动平台、多轴运动平台、气浮位移运动平台等，实现单轴、X、Y、Z、θ轴、多自由度的高精度、高刚度直线或旋转运动。多自由度精密运动平台被大量应用在晶圆薄膜计量、关键尺寸检查、晶圆划线和晶圆激光退火等半导体生产控制环节。雅科贝思、PI普爱纳米、华卓精科、直为精驱、隐冠半导体、克洛诺斯等都是现阶段精密运动控制平台开发领域的重要供应商。

此外，晶圆搬运解决方案也是一个开发热点。由于本土厂商进入这一开发领域的时间较晚，因此，目前在产品供应方面仍以日本、台湾地区的厂商为主。例如，OHT天车搬运系统（空中悬挂式无人搬送车）是大部分12英寸半导体晶圆厂的标配之一，这类市场主要被日本村田机械、大福等厂商所垄断，国内的苏州新施诺半导体、华芯智能、上海盟立等则是新锐之星。另外，用于洁净室的水平多关节机器人（机械手臂）、AGV无人搬运车、输送机式RGV系统、EFEM高速晶圆/载板传送设备、Lifter垂直搬运系统等等都是对自动化厂商软硬件综合开发实力的一次考验。

满足高速、高精度压力控制需求

转塔式芯片测试分选机是目前很多直驱技术厂商正在开发的一个热点设备市场，这类专业机器以其高效自动化、高精度、灵活性、稳定性、占地面积小、维护方便以及扩展性强等优势，在半导体封装测试领域发挥着重要作用。转塔式分选机一般采用工业计算机控制系统结合运动控制卡的方式，通过高效稳定的振动盘将材料输送至转塔，随后材料经过主测试站和拓展副站的检测，将不良器筛选之后，最终进行编带完成包装。转塔式分选机由DD马达驱动主转塔旋转以及主转塔上可独立上下运动的吸嘴构成，设备运行稳定高效，重复定位精度高，可检测的芯片尺寸范围广，并可灵活定制和拓展测试站。

当前，转塔式分选机正面临诸如光学性能视觉检测、微米级精准定位和高速取放、特殊力控与运算等挑战，并且用户端对于设备的UPH值（单位时间产能）提出了更高的要求（如要求MAXUPH在50-60K/H甚至以上）。但另一方面，芯粒尺寸越来越小，就需要高达微米级精准的定位控制及特殊的吸嘴设计，来实现高速取放。更重要的是，高精度压力控制与高速运动往往是一对矛盾体，裸芯片一般为减薄后的芯粒，在测试过程中与测试座间的接触需要特殊的力控与运动算法，既能保证芯粒不被损坏，又能实现高速的芯粒取放与移动。

南京宏泰科技主营业务包括半导体测试系统(ATE)、自动测试分选设备的研发、生产和销售，其面向市场推发出了UPH65K的超高速测试分选机，基于三菱电机高响应伺服J5，以及自主研发的运动学算法和工艺，这款转塔式超高速测试分选机进一步优化了节拍与压力控制精度，确保设备在高速产出效率的前提下，连杆机构下压时保护芯片不被压坏，设备节拍较于上一代分选机提升15%，压力控制精度提升50%。同时，系统还具有更灵敏的碰撞检知、峰值力控制和恒力保压等功能，可准确、灵敏地检知碰撞的发生，并发出指令，实现立即停机或者回退等动作对策。据悉，该超高速分选机目前已经广泛应用于小尺寸和超薄封装芯片的量产测试，并获得了大量海外订单。

在整个半导体封测环节，分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来的专用设备，与测试机共同实现批量自动化测试流程。除了转塔式分选机此之外，实际上，分选机的种类繁多，应用场景也各有不同。随着近年来国内电动汽车行业的迅猛发展，车规芯片市场迅速型兴起，传统的芯片测试系统大多只具备单一的高温检测功能或单一的制冷环境功能，无法同时满足芯片的高低温测试需求，而三温平移式测试分选机可满足车规芯片AEC-Q100测试标准的要求，在-40℃-150℃环境下确保芯片在移动、测试过程均能够维持在最优的温度值范围内，以确保待测产品达到较佳的测试效果。据了解，目前，国产三温分选机尚处于起跑阶段，中国大陆上市公司仅有少数几家能够推出三温分选机。另外，DDR高温测试分选机市场也同样被看好，以应对芯片在高温下的电性测试要求不断升高的趋势。

检测和量测成为主力市场

半导体质量控制设备是晶圆厂的主要投资支出之一，需要依赖应用于前道制程和先进封装的半导体质量控制设备，即量测（Metrology）和检测（Inspection）环节，它们对于芯片生产良率的影响至关重要。量测指的是对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。检测指的是在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷。

随着制程越来越先进、工艺环节不断增加，行业发展对工艺控制水平提出了更高的要求，制造过程中检测设备与量测设备的需求量将倍增。根据观研报告网发布的《中国半导体量测检测设备行业现状深度研究与未来前景分析报告（2024-2031年）》显示，2019-2023年我国半导体量测检测设备市场规模由16.9亿美元增长至40.5亿美元（如图2所示），半导体量测检测设备市场规模占全球的比重由27.3%增长至31.3%左右。中国大陆半导体检测与量测设备的市场处于高速发展期，市场显著高于全球半导体设备量测和检测设备市场的增长速度。总体上，检测设备约占70%左右，其中包括纳米图形晶圆缺陷检测设备、无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备等等；量测设备则约占30%左右，其中包括关键尺寸量测设备、套刻精度量测设备、薄膜膜厚量测设备、三维形貌量测设备等等。

图2 2019-2025 年中国半导体量测检测设备市场规模、增速机预测

（资料来源：观研报告网）

从技术路线原理来看，目前的半导体量测/检测主要分为光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术三大类。在相同条件下，光学技术的检测速度比电子束检测技术快，速度可以较电子束检测技术快1,000倍以上，而X光量测技术主要应用于特定金属成分测量和超薄膜测量等特定的领域。

在晶圆厂选购半导体量测/检测设备时，性价比是其重要的考虑因素。质量控制设备检测速度和吞吐量的提升将有效降低集成电路制造厂商的平均晶圆检测成本，从而实现降本增效。因此，检测速度和吞吐量更高的检测和量测设备能够帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。

近期，克洛诺斯科技在半导体前道制程量测检测领域取得了突破，其新推出的水星运动控制平台总行程达475*410mm，可满足12寸及以下的晶圆量检测使用。据介绍，水星平台拥有极佳的动态性能，加速度达20m/s²,同时最高速度达到1.25m/s，定位精度高达±1μm，并拥有优异的双向重复精度，可满足晶圆量检测设备的短行程短稳定需求。水星运控平台卡盘面带真空接口，可选配导轨粉尘抽吸功能、个性化信号以及压缩空气管等，满足ISO2洁净等级环境需求。为了进一步提升晶圆量检测UPH，克洛诺斯还可为水星加装静音系列主动避震，在特定频率及工况下隔振效果能达到95%以上，每移动10μm整定窗口±40nm时整定时间就可控制在40ms内，并且位置稳定性在2KHZ时能达到±2nm，这意味着水星运动控制平台能极大程度上降低工作时间，有效提升设备的UPH值，适用于半导体制造中的晶圆量测检测如叠片测量、关键尺寸量测、薄膜量测等工序中。

结语

通常来说，在半导体供应链体系中，制造设备的验证周期很大程度上取决于客户的具体要求，一旦部件或系统在主机中被定型后，供应商还需要进一步配合设备集成商进行机器的整体验证和上限测试，这些都涉及到对生产进度的严格把控，以及对主机生产的验证，尤其是产品的功能和性能需要经过较为严苛的测试。中国半导体整体产业的上升之路还很漫长，尽管目前国内零部件的应用比例逐年提升，低成本、短交期、断链风险小等优点令到国内企业的参与机会加大，在新一轮中国半导体装备业的升级过程中，工控自动化部件及系统厂商需要加大创新研发投入，提高产品的质量标准，全力赋能中国半导体产业的先进制造进程。

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