半导体供应链重构, 工控自动化赋能自主可控
文:组编 / 编辑部2024年第六期
导语: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。
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MAX UPH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 UPH 65K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。
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ISO 2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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