前不久，位于蘇州相城經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的晟盈半導體（SWAT）向一家國內知名驅動IC制造公司交付了一臺ECD平臺，引發(fā)業(yè)內高度關注。這臺金凸塊全自動電化學沉積（電鍍）設備不僅是該領域首臺國產(chǎn)化設備，也代表著國內電化學沉積技術在大尺寸金凸塊先進封裝領域取得了新的突破。

封裝技術進步是推動半導體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。作為生產(chǎn)過程中的核心技術之一，電化學沉積ECD設備可以支持系統(tǒng)級封裝（SiP）、晶圓級封裝（WLP）等先進封裝技術。隨著摩爾定律逐漸走到物理極限，集成電路的技術路線呈現(xiàn)出從2維向3維發(fā)展的趨勢。尤其在高性能芯片的制造方面，先進封裝承擔著實現(xiàn)超越摩爾的技術使命，市場需求維持較高速度的增長，帶動行業(yè)產(chǎn)值快速提升，使得電化學沉積ECD設備迎來了需求爆發(fā)期。在這個時期中，國內廠商的機會在哪里？

半導體電鍍設備國產(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有別于常規(guī)電鍍，電子電鍍的應用領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。作為唯一能夠實現(xiàn)納米級電子邏輯互連和微納結構制造加工成形的關鍵技術，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)中的基礎性、通用性、不可替代性技術。從芯片的銅互連技術、封裝中電極凸點電鍍技術、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，電子電鍍技術應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用不斷拓展。因此，與常規(guī)的裝飾性、防護性電鍍相比，芯片制造電子電鍍在種類、功能、精度、質量和電鍍工藝等方面具有極高的技術要求，其發(fā)展水平直接決定了高端電子制造業(yè)的技術水平。

在芯片制造中，電子電鍍與光刻技術同等重要：光刻技術在硅片上制作出高度集成的晶體管，形成芯片的“腦細胞”；電子電鍍技術制作晶體管之間邏輯互連的電子導線，形成芯片的“神經(jīng)網(wǎng)絡”。芯片制造電子電鍍工藝的技術難點是要在保證小尺寸、大深徑比結構填充能力的同時提高互連線電性能、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的濃度范圍精細調控多種添加劑配比；從材料角度，需要采用超純鍍液、添加劑等高端電子化學品，其雜質濃度要控制在μg L-1以下；從設備角度，需要合理設計電、熱、液流等多場耦合作用以及高精度調控。

我國芯片制造電子電鍍專用化學品和裝備嚴重依賴進口，“卡脖子”問題十分突出，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

一是電子電鍍專用化學品瓶頸。超純鍍液可覆蓋到14?nm技術節(jié)點，相關產(chǎn)品已在12英寸產(chǎn)線應用，但基本原材料仍然嚴重依賴進口。

二是電子電鍍裝備瓶頸。國內晶圓級先進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以下互連沉積設備、在線分析檢測儀器、鍍液檢測分析儀器均被美國廠商壟斷，且國產(chǎn)儀器中關鍵零部件仍嚴重依賴進口。面向鈷互連的物理氣相沉積和電子電鍍設備，國內目前還是空白。

三是電子電鍍工藝技術瓶頸。我國目前采用的電子電鍍工藝技術包括大馬士革成形、先進封裝、引線框架電鍍、有機基板電鍍等，主要由美國和日本引進。目前芯片電子互連的最佳工藝是大馬士革工藝，產(chǎn)業(yè)界應用的主流技術是大馬士革銅互連，這也是電子電鍍眾多應用技術中難度最大、指標要求最高、國外壟斷最嚴重的環(huán)節(jié)之一。我國目前采用的電子電鍍工藝技術路線大都由國外引進，通過引進吸收再創(chuàng)新， 14?nm技術節(jié)點集成電路互連電鍍已基本實現(xiàn)自主化，先進集成電路封裝電鍍部分技術已接近國際先進水平。但是，涉及填充能力、鍍層品質、可靠性的核心技術專利，難以實現(xiàn)工藝技術的升級換代，對基礎和共性技術自主掌控需求迫切。

我國芯片制造先進技術節(jié)點所用電子電鍍材料、設備的自主協(xié)調發(fā)展，主要面臨三個方面的問題：一是電子電鍍產(chǎn)品化門檻高，我國研發(fā)起步晚，且受到外國技術封鎖，客觀技術差距大；二是市場小，回報低，但研發(fā)成本高、周期長，單憑企業(yè)投入，資金缺口嚴重；三是缺乏先進技術節(jié)點的互連圖形芯片制造能力，技術驗證受限。我國電子電鍍產(chǎn)業(yè)面臨的重點技術難題包括鍍液、添加劑的成分提純，添加劑配方的開發(fā)和高精密度濕法電鍍設備的研制。

在新型電子電鍍材料方面，我國還處于發(fā)展初期，主要還是根據(jù)國外先進思路進行學習和仿照。目前，隨著芯片尺寸縮小，孔尺寸也需要進行相應的縮小，導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)級增大，導致阻容延遲和焦耳熱顯著增加【13].高結晶度銅（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爾孔洞等問題，有望大幅改善銅互連性能、提高可靠性。根據(jù)理論計算，使用單晶銅，可以提高電導率，降低趨膚效應所造成的信號損失，有可能替代傳統(tǒng)的焊接模式，直接進行同層互連。金屬鈷因具備短平均電子自由程（λ=10nm）、優(yōu)異的抗電遷移（擴散活化能小至為1?eV）和擴散阻擋性能，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)上的廣泛應用。新型金屬合金（銅鋁合金、鎳合金等）、先進碳材料等也被提出應用于先進技術節(jié)點互連，是未來芯片互連的關鍵研究方向，目前正處于研發(fā)階段。

隨著后摩爾時代的到來，先進集成封裝技術被推向舞臺的正中央，多種先進封裝技術與先進工藝節(jié)點融合趨勢明顯。先進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一個封裝空間內。而且，還要在這些水平、垂直方向堆疊的裸芯片之間通過最小尺寸導電通道互連起來。其中，實現(xiàn)裸芯片厚度方向電氣連接的通道即是硅通孔技術（Through-Si-Via, TSV）。三維集成封裝技術通過晶圓或芯片的縱向堆疊大幅提高集成度，是電子封裝技術發(fā)展的必然趨勢， TSV電鍍則是三維集成封裝的核心。 TSV電鍍正不斷朝開口更小、深徑比更大的方向發(fā)展。其中，有機添加劑體系（抑制劑、整平劑和加速劑）配方是實現(xiàn)深孔電鍍的關鍵挑戰(zhàn)。

國際市場經(jīng)驗驅動本土廠商發(fā)展

國產(chǎn)ECD設備的成功交付，帶來了什么信號？

從市場側來看，國內ECD設備市場增長潛力巨大。中國是全球第一大半導體消費市場，產(chǎn)業(yè)長期向好。根據(jù)國家發(fā)改委數(shù)據(jù)顯示，2023年中國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模將達到52萬億元，2032年將達到100萬億元。隨著數(shù)字經(jīng)濟持續(xù)壯大，半導體產(chǎn)業(yè)將發(fā)揮越來越重要的作用。加之，近年來中國半導體產(chǎn)業(yè)在努力完善產(chǎn)業(yè)鏈，補齊短板，政策與市場雙重驅動，給產(chǎn)業(yè)鏈上游的設備與材料領域發(fā)展提供了極大的機遇。

從產(chǎn)業(yè)側來看，當前新型市場需求的快速擴張引發(fā)了產(chǎn)業(yè)格局的變化，集成電路設計企業(yè)、晶圓制造廠商、終端企業(yè)都有布局半導體封裝測試的趨勢，先進封裝領域新創(chuàng)企業(yè)也層出不窮。在國際貿易關系不確定性增加疊加疫情導致供應鏈不穩(wěn)定性提升的背景下，主要封測廠商持續(xù)加大對本土設備材料廠商的支持力度，有力促進了本土封測設備材料廠商技術和規(guī)模提升。

但是電化學沉積技術終究具有較高的技術門檻，沒有豐厚的技術與經(jīng)驗積淀根本不可能在短時間內取得成績。以晟盈半導體（SWAT）為例，他們的關鍵團隊有著豐富的半導體設備開發(fā)的成功經(jīng)驗，曾經(jīng)主導ECD設備研發(fā)、生產(chǎn)，成功地使新設備進入國際一流半導體公司（臺積電、三星、英特爾，IBM）并成為這些公司新產(chǎn)品生產(chǎn)的主流設備。在這臺金凸塊全自動電化學沉積(電鍍)設備交付之前，晟盈半導體（SWAT）已實現(xiàn)多臺電化學沉積設備在銅互連(RDL)及銅柱（Pillar）應用并轉量產(chǎn)驗證，獲得了國內多家先進封測公司的信任。

由此我們也可以窺見半導體設備企業(yè)發(fā)展的關鍵要素，這些也將成為驅動中國本土半導體設備制造能力快速發(fā)展的硬實力。第一，需要有領先的技術，半導體技術需求正在發(fā)生日新月異的變化，企業(yè)需要緊跟市場需求變動提前研發(fā)新的技術。第二，產(chǎn)品要有較高的可靠性和穩(wěn)定性，半導體生產(chǎn)對設備可靠性和穩(wěn)定性要求很高，新設備研發(fā)、生產(chǎn)、交付和維護每個環(huán)節(jié)都要保證設備的可靠性和穩(wěn)定性。第三，設備要有高性價比，集成電路芯片越來越復雜、價格越來越便宜，設備一定要做到成本低、產(chǎn)能大，才能更具市場競爭力。

ECD設備起步于封裝市場對于前沿技術需求的渴望，擁有穩(wěn)定且更寬的市場拓展空間。晟盈半導體（SWAT）總經(jīng)理劉震球博士認為，進一步智能化和互聯(lián)互通是工業(yè)和社會發(fā)展的大趨勢，中國具有龐大的市場、而且在新技術推廣應用上領先于其它經(jīng)濟體。半導體集成電路在該發(fā)展趨勢中居關鍵地位，ECD設備也是集成電路制造的關鍵設備。晶圓級ECD設備的第一梯隊一直是幾家美國公司，為了適應半導體產(chǎn)業(yè)國際發(fā)展方向，中國半導體生產(chǎn)設備必須實現(xiàn)本土化。對此，劉震球博士針對晟盈半導體（SWAT）的發(fā)展制定了兩步走的方案：第一步，從后道先進封裝進行開局，同步進行前道晶圓生產(chǎn)ECD工藝的研發(fā)。這一步已于今年順利實現(xiàn)。第二步，實現(xiàn)在前道晶圓生產(chǎn)ECD工藝的國產(chǎn)替代，首臺樣機計劃于2024年中交付國內FAB廠進行生產(chǎn)驗證。


國產(chǎn)電鍍技術已實現(xiàn)飛躍

目前，盛美上海獨創(chuàng)的電鍍技術已在前道雙大馬士革和先進封裝、3D TSV 以及第三代半導體應用領域均實現(xiàn)了質的飛躍，并分別推出Ultra ECP map（前道銅互連電鍍設備）、Ultra ECP ap、Ultra ECP 3d、Ultra ECP GIII等設備。無論是多圓環(huán)陽極技術、第二陽極技術，還是高速電鍍技術等，都在客戶端產(chǎn)線表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

“重點介紹一下高速電鍍技術，盛美上海在2019年開發(fā)出該技術，2020年推向市場，2021年應用在了SnAg上，并且采用自主設計的paddle，根據(jù)需求對工藝進行了優(yōu)化?！辟Z照偉介紹道，一方面采用高速鍍層技術，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在Cu-Ni-SnAg 結構的銅柱鍍層產(chǎn)品上，更能提高吞吐量和縮短工藝時間。

據(jù)悉，高速銅電鍍技術已被應用于盛美上海的Ultra ECP ap電鍍設備，該設備可執(zhí)行許多關鍵的晶圓級封裝電鍍工藝，包括銅凸塊和高密度扇出（HDFO）工藝，并借助專門設計，實現(xiàn)快速均勻的電鍍。該設備在銅、鎳、錫、銀和金電鍍過程中表現(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的晶圓級封裝制程中。今年2月，盛美上海收到8臺Ultra ECP ap先進封裝電鍍設備的多個采購訂單；5月，盛美上海與一家中國先進晶圓級封裝客戶簽訂了10臺Ultra ECP ap高速電鍍設備的批量采購合同。

此外，今年7月，盛美上海與上海華力申報的“前道銅互連電鍍設備”獲得中國集成電路創(chuàng)新聯(lián)盟主辦的第五屆“集成電路產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新獎”的殊榮，這份榮譽肯定了盛美上海在集成電路技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化方面取得的突出業(yè)績。

目前，先進封裝勢頭強勁，國內封測廠商持續(xù)擴張先進封裝產(chǎn)能，國產(chǎn)化設備進程加快。