日常我們所說的“封測”是指封裝測試。而封裝要達成的是對芯片的支撐和機械保護，以及把電信號從芯片上引出來。凌波微步CEO李煥然在媒體分享會上提到，其操作包括“晶圓的打磨、切割，芯片的貼裝鍵合、塑封等過程”。
我們常說，半導體制造與封測相關的設備裝置、材料等是當前行業和國家關注的重點，也是實現國產化全鏈條打通的關鍵。普羅大眾對于設備裝置的關注，主要在某些更核心的設備上——畢竟“皇冠上的明珠”更能集中目光。
這次借著國內凌波微步半導體科技剛剛獲得創新工廠數千萬A輪融資的機會，我們來簡單了解一下封測設備中的IC球焊機（Ball Bonder）。IC球焊機是芯片引線鍵合（wire bonding）的核心設備，據說這種設備被譽為封裝設備的“皇冠”。當然，這也是我們了解凌波微步這家企業的機會。
封裝設備：IC球焊機
日常我們所說的“封測”是指封裝測試。而封裝要達成的是對芯片的支撐和機械保護，以及把電信號從芯片上引出來。凌波微步CEO李煥然在媒體分享會上提到，其操作包括“晶圓的打磨、切割，芯片的貼裝鍵合、塑封等過程”。
半導體封裝工藝分為傳統封裝和先進封裝。此前我們探討和關注比較多的，普遍是先進封裝。不過行業內大部分芯片的封裝還是會采用傳統封裝工藝。傳統封裝的一道關鍵工序為引線鍵合，“是采用金屬線，利用熱壓力和超聲波的能量，使金屬線在芯片的焊盤和基板的引腳能夠緊密地焊合，實現芯片與基板、芯片與芯片之間的電氣互聯和信號互聯。”李煥然說。
引線鍵合的核心設備之一就是IC球焊機。李煥然表示在引線鍵合設備市場中，90%以上的鍵合設備都是IC球焊機。“目前的IC球焊機綜合了超聲波焊接技術、運動控制技術、精密機械技術等，以接近物理極限的速度和精度來完成工作。”所以IC球焊機要求多個交叉學科的知識，包括機械、電子、電氣、光學、超聲波、運動控制等。
創新工場投資董事兼半導體總經理王震翔介紹說：“這個行業的人才門檻實在太高了。其實根據我們的了解，IC球焊機這個行業，國內真正非常厲害的人才也許只在個位數。”
IC球焊機與凌波微步
從整體市場價值來看，“封測設備占到半導體設備的大概15%。刨去測試設備，在封裝設備中，IC球焊機大概占到封裝設備的30%，算是第一大市場份額的核心設備，也是難度最高的。”
“技術門檻高的同時，這個工具已經非常標準化。所以封裝設備市場長期處于寡頭壟斷的狀態，集中度很高。”IC球焊設備以往是長期依賴進口的。由于其制造難度大、技術壁壘高、標準化程度高，IC球焊機被美國K&S、荷蘭ASM、日本KAJIO等國際巨頭壟斷。國產引線鍵合設備在全球市場上的占比不到1%。
與此同時，在市場現狀方面，“球焊機是采用機械的方法來實現納米級的精度。”“微米級不如納米級那么引人注目，但它也是個‘卡脖子’的產品。我們一般說球焊機是隱形的冠軍，其售價大約是5萬美元一臺。”用李煥然的話來說，這個市場“缺乏明星效應，受到的關注度比較低”。
所以李煥然表示，凌波微步半導體科技率先在該領域突破了技術壁壘，“實現了IC球焊機數百臺級的出貨量。”他著重提及凌波微步IC球焊機的一些技術特點。這些特點對于我們理解IC球焊機在封裝過程中的價值和作用，應該也更有幫助。
上面這張圖給到了IC球焊機的幾大特點，包括
（1）加速到百公里時速僅需0.2秒——李煥然打比方說是法拉利F430的20倍；Z軸焊頭則只需要0.02秒。
（2）XY平臺從100公里/小時減速至0，也只需0.2秒，并且停在給定范圍的±1μm范圍內——有興趣的各位可以去對比一下此前我們采訪ASML時，提及lithography設備這部分的精度控制。
（3）焊接力±1g——“停下來打線時，凌波微步IC球焊機相當于輕輕撫摸嬰兒的皮膚一般，把壓力控制在±1g。”“力的變化需要十分柔和，這個力一定要控制好。稍稍大一點就會把芯片焊盤的導電層擊穿，力小則影響鍵合力。”（4）智能化、自動化，極少人工介入。
這些都是IC球焊機的技術壁壘，王震翔說如果沒有幾十年的從業經驗和跨領域、多重know-how的積累，則這樣的技術壁壘無法突破，包括伺服控制、±1μm的定位精度、極快的加速度，以及焊接力的控制技術、超聲波技術、高分辨率視覺識別技術，以及規模化部署、快速迭代的實現等等。
李煥然說：“凌波微步的IC球焊機在技術指標和產品性能上都做到了與國際品牌相當，在國內品牌中居首。”王震翔評價說：“業務層面，他們在特定領域、一些細分的市場已經能夠直接對標國際大廠K&S、ASM，不僅是在絕對參數上全面對標，在服務和價格上還比他們更有優勢。”“國內廠商，只有他們一家在IC的這個領域做到了大規模量產。”
“球焊機的整機流程包括零部件設計、整機設計、程序設計、零部件的加工、標準件的采購、零部件和整機的組裝，以及機器的調試和質量控制流程。除了機械加工件的委外，其他流程包括研發設計、組裝、調試和質量控制都是我們自己來完成的。”李煥然強調，“目前我們在常熟建設的生產基地接近1萬平米，已經逐步開始量產。在全部量產之后，預計一年的產量1500-2000臺。”“希望能夠滿足國內產能大概20-30%。”“國內排名前三的封測廠中，我們已經進入了兩家。”
走“專精特新”之路
王震翔透露，由于市場大環境供貨緊張、產能吃緊，行業整體利好，凌波微步拿下的訂單也“一再激增”，“今年截止目前，凌波微步訂單額已經超過1個億。”這在上游設備相關的初創企業中，還是相當少見。要知道，凌波微步這家公司是2020年12月才成立的。
“和國外企業產品相比，我們的基礎性能已經沒有太大差距。我們最主要的優點就是產品和服務的靈活性。我們可根據客戶的需求，做出程序、甚至機械的更改，來滿足客戶的需求，這是國外產品很難做到的。”李煥然在提及凌波微步與國際巨頭的對比時提到，“從差距來講，主要是我們的產品剛剛進入市場，真正使用的比較少，所以在工藝適應上還有些差距。在我們的產品應用不斷廣泛之后，我相信這個差距可以得到彌補。”
李煥然將凌波微步的IC球焊機研發歸結為“專精特新”四個方面——國家“專精特新”小巨人企業其實是現在頗受資本追捧的熱詞，此前我們也采訪過一些集成電路行業的“專精特新”小巨人企業。據說凌波微步是以專精特新為標準在做技術研發的，包括了：
“專”注于芯片引線鍵合；在精密機械、運動控制、圖像處理、超聲波技術等跨學科領域精益求“精”；根據客戶個性化需求做調整，提供貼合需求的“特”定服務——前文也已經提到了這一點；開發“新”技術，持續進步。
其中“新”的部分體現在凌波微步引入了云端互聯技術和AI技術。這里的云端互聯技術，是“讓客戶在生產過程中，將設備通過互聯網連起來放到云端，讓客戶能夠在遠端監察和監測每部機器的狀態，調整機器的參數。”對于AI技術，凌波微步未曾具體提到，只是說”我們的機器可以自動識別產品批次、自動選擇匹配的參數”，那么可能與計算機視覺有關。
李煥然在談凌波微步的產品優勢時談到了這兩點。除此之外的優勢還包括
（1）VR線弧技術：即引線在連接芯片的焊盤和引腳時需保持一定的形狀，李煥然說，這是評價引線鍵合質量的重要指標。凌波微步以可視化VR線弧技術，使線弧編輯更容易實現和更改；
（2）全閉環力控技術——即前文提到的焊接力的精準控制，達成±1g，而且“可以使力按照預先設定的曲線來變化，保證焊接質量”。
（3）運動控制的采樣頻率——當前凌波微步開發的運動控制系統的采樣頻率是20K赫茲，是確保精度和速度的基礎。
其他參數如上圖所示，包括XYTable分解讀±1μm，焊線精度±2μm；工作臺加速度25g，焊線速度25線/秒；穩定性上，量產下平均MTBA（Mean Time Between Assistant）超過1小時；適應材料方面，可做到金、銀、銅、鋁各種合金，包括焊盤和焊絲都可以做，焊接范圍56x90mm。
“這些指標都與國際品牌相當。”李煥然說，上面這張圖是凌波微步將自家產品與K&S和ASM競品進行的比較。
此外，他也舉了兩個焊線實例。其一是系統集成封裝的電源管理IC，在一個集成電路中封裝多個芯片，同時鍵合20條線，比較特別的是采用2.5mil銅線。據說“單這個客戶，目前我們的產品保有量已經超過150臺”。
另外一例是BGA球柵陣列封裝引線鍵合——BGA封裝是比較常見的方案。這一例的引線數達到了240條，焊盤尺寸則為40μm。而且例子中似有兩個堆疊的die，“需要多層焊線”。“這種高密度BGA封裝在引線鍵合里也是最高端的。”李煥然說，“凌波微步的設備目前已經在一家國內的頭部企業進行了250條線的BGA封裝的生產和測試。”
作為一家去年12月才成立的企業，做到這種程度還是比較令人咂舌的。李煥然在媒體分享會上多次提及要達成跨學科綜合知識掌握的難度與不易，及其造成的技術壁壘。不過李煥然本人從事半導體設備行業工作已經有30多年，在ASM、太古科技、香港新科等企業都任職過研發和管理工作。
在凌波微步成立之前，李煥然就曾“與朋友合作，在深圳成立一家公司，為市場提供半導體和微電子行業自動化解決方案”，先后獲得過一些研究成果和專利。所以在凌波微步半導體科技有限公司成立以前，李煥然及其團隊的技術儲備普遍有20年以上。這也是凌波微步能如此自信談自家IC球焊機技術可與國際大廠比肩、并在國內率先實現球焊機大規模量產的基礎。
市場與未來
除了傳統封裝技術，李煥然在答記者問階段也透露，未來凌波微步計劃進入先進封裝市場。“球焊機在先進封裝中也是有應用的，最主要的應用就是在先進封裝中打凸點（microbump）。”
凌波微步未來的幾步規劃包括：“首先進入國內新興的半導體封裝企業。他們對國產設備的認知度和接受性比較強，同時對價格和服務比較敏感；第二步進入國內的頭部企業，他們對技術要求比較高；第三步進入國際頂尖封裝企業，像日月光和矽品。”
無論是凌波微步，還是這次投資凌波微步的創新工場，都對封裝市場的前景十分看好。李煥然在演講中援引了一組數字：2020年全球半導體設備銷售額增長19%，達到720億美元。
“根據國際半導體協會的最新數據，2021年Q2全球半導體設備訂單增長48%，創下249億美元新高。其中中國大陸Q2半導體設備訂單更是飆升了79%，達到82.2億美元。” 封測設備市場2019年銷售額42億美元，2020年為50億美元。“IC球焊機領域的市場容量，2020年大約是15-16億美元。”
“2020年中國大陸已經成為全球最大的半導體設備市場，且市場規模占比在逐年快速爬升。2020年前三個季度，中國市場半導體設備銷售額同比增長48%、37%和63%，增速明顯高于全球市場。”王震翔說，“與此同時，國外設備企業產能不足，給新玩家帶來很大機會和機遇”…“再加上國內下游封測客戶持續擴產，以及政策、資金雙輪驅動，封測設備的國內自主創新空間非常巨大。”
所以王震翔透露說，針對本土半導體設備市場，“大家可以期待我們（創新工場）后續的投資。”基于此也能看出這一市場的火熱。
責編：Luffy Liu
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