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轉(zhuǎn)載丨“成都芯”突破“卡脖子”難題,跟回鍋肉有啥關(guān)系?

轉(zhuǎn)載丨“成都芯”突破“卡脖子”難題,跟回鍋肉有啥關(guān)系?

發(fā)布時間2024-09-18


“鹽煎肉是直接生肉下鍋,回鍋肉則需要先煮后炒。我們做的事,簡單理解就是鹽煎肉與回鍋肉的區(qū)別?!?/strong>

別誤會——這里并非川菜大廚的廚藝分享會,而是芯仕成的“芯片小課堂”。

當(dāng)被問到其濾波器芯片跟以往有何不同時,成都芯仕成微電子有限公司(以下簡稱“芯仕成”)創(chuàng)始人、“長江學(xué)者獎勵計劃”青年學(xué)者、電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室教授、博士生導(dǎo)師——吳傳貴用兩道菜我們打了一個形象的比方。

“在傳統(tǒng)的原材料基礎(chǔ)上,我們增加了一套工序,讓它變成了一個全新的產(chǎn)品。”
常言道,治大國若烹小鮮,需要掌握好“火候”和“佐料”的使用——芯片也是如此。更重要的是,這盤“菜”的掌勺權(quán),必須握在自己手里。
去年10月,華為無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線總裁曹明在“2023全球移動寬帶論壇”期間,發(fā)布了全球首個全系列5.5G產(chǎn)品解決方案。自2019年被美國列入實體清單以來,面對外部的“卡脖子”威脅,華為一步步實現(xiàn)了5G芯片設(shè)計以及研發(fā)制造從0-1的突破。
目前,從擁有5G芯片到實現(xiàn)真正的5G通信之間,仍有一關(guān)鍵部件無法繞開國外技術(shù)的壟斷,它就是射頻前端中的“濾波器”。
在此背景下,吳傳貴帶領(lǐng)團隊研發(fā)了新一代單晶壓電薄膜濾波器,以最為核心的壓電材料技術(shù)作為突破口,從基礎(chǔ)材料、新型結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵工藝三方面同時入手,構(gòu)建了材料制造-芯片設(shè)計-芯片制造的完整技術(shù)體系,成功突破了國外巨頭對濾波器技術(shù)的壟斷和封鎖。
當(dāng)前,成都市全力推進“進萬企、解難題、優(yōu)環(huán)境、促發(fā)展”工作。成都新經(jīng)濟企業(yè)俱樂部與西部科創(chuàng)投資聯(lián)盟在“新聲”欄目第二站,對吳教授創(chuàng)立的芯仕成開展深入調(diào)研,探究團隊以科技創(chuàng)新打破“卡脖子”封鎖、以科技成果轉(zhuǎn)化形成新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展路徑,了解企業(yè)發(fā)展過程中對市場、融資、技術(shù)、人才等方面需求,為企業(yè)發(fā)展疏通堵點、化解痛點、消除難點。

01
新突破:
教授創(chuàng)業(yè),用硬實力破解“卡脖子”難題

??在實現(xiàn)5G通信的過程中,濾波器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
內(nèi)嵌于射頻前端中的濾波器,主要負責(zé)保留特定頻段內(nèi)的信號,同時濾除特定頻段外的信號,從而提高信號的抗干擾性及信噪比。通過濾波器的信號篩選、干擾抑制,芯片能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境中更有效地傳輸和接收數(shù)據(jù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,目前全球主要分為表聲波濾波器(SAW濾波器)與體聲波濾波器(BAW濾波器)兩條技術(shù)路線。

SAW濾波器:SAW濾波器是一種用石英、鈮酸鋰或鉭酸鋰等壓電晶體為基片,在其表面拋光后在上面蒸發(fā)一層金屬膜,通過光刻工藝制成兩組具有能量轉(zhuǎn)換功能的交叉指型的金屬電極(叉指換能器IDT)。由于溫漂特性等因素的限制,普通saw基本更多應(yīng)用于2.7GHz以下+低Q值(<800)的低端頻段、低端市場


BAW濾波器:BAW濾波器是體聲波器件,相較于SAW,性能全面提升:頻段更高(1GHz-7GHz),Q值高(<3000),帶內(nèi)插損小和帶外衰減大,體積小。因在高頻率和寬頻帶的技術(shù)優(yōu)勢,可以提供更低的插入損耗、更好的選擇性、更高的功率容量、更大的運行頻率以及更好的靜電放電保護,從而在基站、手機、物聯(lián)網(wǎng)終端等高頻應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。

前者受限于在頻率、Q值方面的表現(xiàn),無法滿足高頻應(yīng)用場景。后者性能全面提升,但生產(chǎn)成本要高出好幾倍。
全球龍頭博通已經(jīng)搭建了非常完善的BAW專利保護陣列,對于采取不同模式,嘗試BAW規(guī)模出貨的企業(yè)來說,高筑的專利壁壘始終是其摘不掉的“金箍”。
處于全球供應(yīng)鏈中的華為,面對的正是一個日本和美國等海外玩家占主導(dǎo)的濾波器市場。
困難時期,突破封鎖、解決國家卡脖子難題的共同使命把華為與電子科大緊密聯(lián)系在了一起
“華為頻繁地來到學(xué)校尋求技術(shù)上的合作,讓我們意識到產(chǎn)業(yè)鏈對濾波器的急需”吳傳貴如是說。

雖然供應(yīng)鏈受阻,但由村田與高通的技術(shù)競爭而催生的產(chǎn)業(yè)變革,為后來者帶來了一次彎道超車的機遇。
2020年,在原有的SAW之上,村田首創(chuàng)TF-SAW(也叫IHP高性能濾波器,Incredible High Performance),在壓電層下方增加載體襯底(Si和SiO2)減少能量耗散,同時具備低插損、低頻率溫度系數(shù)、高Q值和高帶外抑制的特征。
高性能之外,相較于SAW “五花肉”只增加了一層薄膜,大批量下成本可以逼近SAW。
從濾波器本質(zhì)邏輯來看,制約濾波器性能的是材料,而非半導(dǎo)體設(shè)計。此輪產(chǎn)業(yè)變革的核心仍然圍繞材料展開,而吳傳貴自2014年便開始了該領(lǐng)域的材料研究。

“我大概從2014年開始研究這一材料,其實做的還是很早,甚至比目前行業(yè)最主要的法國供應(yīng)商更早?!?nbsp;

在研發(fā)層面的先發(fā)優(yōu)勢,讓吳傳貴所在的電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室在此輪產(chǎn)業(yè)變革中占據(jù)了有利身位。
2019年吳傳貴創(chuàng)立成都芯仕成微電子有限公司,正式開啟濾波器材料的科技成果轉(zhuǎn)化之路。2021年,電子薄膜與集成器件國家重點實驗室--華為公司“濾波器與電路技術(shù)”聯(lián)合實驗室掛牌成立。

自此,實驗室在技術(shù)層面超前布局,芯仕成則根據(jù)行業(yè)現(xiàn)有需求積極推進產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化與量產(chǎn)。
經(jīng)過5年的努力,此前實驗室里的技術(shù)成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的單晶薄膜復(fù)合晶圓材料,一舉解決了國內(nèi)在高端射頻濾波器“卡脖子”的難題。
該材料具有高性能、低成本、高兼容性的特點,可結(jié)合現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝快速開發(fā)新一代TF-SAW產(chǎn)品,工作頻率較現(xiàn)有產(chǎn)品相比有3-5倍提升,最高可達15GHz,承載功率較國外產(chǎn)品提升4.25倍。與BAW相比,同等條件下芯片面積減小77%,制造工藝步驟減少78%。

XPOI-V:以單晶硅為基底,中間為氧化層,表面是一層幾百納米的單晶壓電薄膜,通常為鉭酸鋰或鈮酸鋰。平整度好、粗糙度低、一致性高,制作的TF-SAW工作頻段可覆蓋0.8GHz-4GHz,具有插損小、Q值高、承載功率大等優(yōu)勢。 


XPOI-R: 以單晶硅或鈮酸鋰為基底,中間為多層薄膜,表面是一層幾百納米的單晶壓電薄膜,通常為鈮酸鋰。平整度好、粗糙度低、一致性高等特點,制作的TF-SAW工作頻段可覆蓋2GHz-15GHz,具有頻率高、帶寬大、插損小、Q值高、承載功率大等優(yōu)勢。 


Bonding wafer:以單晶硅、石英或碳化硅等為基底,中間為氧化層,表面是微米級的單晶壓電薄膜,通常為鉭酸鋰或鈮酸鋰。平整度好、粗糙度低、一致性高等特點,制作的TC-SAW工作頻段可覆蓋0.8GHz-4GHz,具有溫度漂移系數(shù)小的優(yōu)勢。

對于此前難以逾越的專利壁壘,芯仕成已圍繞新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝三大方面構(gòu)建了完整、全面的專利體系。
至今已累計共54項專利,其中包括PCT4項、中國專利發(fā)明51項,主要涵蓋新型壓電材料、高品質(zhì)亞微米級單晶薄膜、多物理層仿真與電磁兼容設(shè)計、新型薄膜轉(zhuǎn)移集成技術(shù)等。
此外,公司打造了具有全球領(lǐng)先優(yōu)勢的“材料-芯片-器件”全技術(shù)鏈條,走出了一條全新的技術(shù)路線。
通過齊全的工藝、檢測和輔助設(shè)備,可獨立完成從離子注入、化學(xué)機械拋光、晶圓減薄到鍍膜的完整工藝和晶圓加工中膜厚、輪廓、應(yīng)力等相關(guān)檢測,部分關(guān)鍵設(shè)備及工藝為自主開發(fā),具有獨創(chuàng)性。2023年被認定為成都高新區(qū)集成電路材料中試平臺。
規(guī)模出貨能力方面,芯仕成建設(shè)有3,000平方米高等級超凈車間,年產(chǎn)量可達50,0004-8英寸單晶薄膜復(fù)合晶圓。
02
新應(yīng)用:
市場廣闊,新技術(shù)路徑或顛覆集成電路產(chǎn)業(yè)

芯仕成憑借單晶薄膜復(fù)合晶圓材料所填補起的高端射頻濾波器市場,空間巨大,應(yīng)用廣泛,且需求迫切。
涉及領(lǐng)域包括,智能手機、射頻前端模組、移動通訊基站、Wi-Fi路由器、可穿戴設(shè)備、特種行業(yè)應(yīng)用等。
智能手機,是其中最大的應(yīng)用市場。隨著通信技術(shù)從2G發(fā)展至5G,通信頻段數(shù)目逐步增加(從2G的4個頻段上升到5G的50余個頻段),一臺5G手機,可能需要集成100多個濾波器。

當(dāng)下SAW濾波器已在2G(GSM)的B1(2100 MHz), B3 (1800 MHz), B5 (850/900 MHz)得到了廣泛應(yīng)用。
在頻段較低的領(lǐng)域如藍牙,導(dǎo)航(GPS、GLONASS、Galileo、北斗)、部分衛(wèi)星通信場景,SAW濾波器也得到廣泛應(yīng)用。
而2GHz以上的高頻通信,特別是3G(UMTS/HSPA)和4G(LTE),芯仕成研發(fā)的單晶薄膜復(fù)合晶圓可以用于TF-SAW的制造,通過引入溫度補償工藝和超級薄膜工藝,性能可與BAW媲美。

隨著5G手機的普及和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,單單這一濾波器市場,全球規(guī)模就達到1000億,其中國內(nèi)市場需求占據(jù)50%-80%,是手機射頻前端價值量最高、增長最快的單品器件,并保持著年均10%以上的增長。
國產(chǎn)濾波器替代率只有5%左右,出口幾乎為零,替代空間巨大。
值得一提的是,目前公司所具備的單晶薄膜復(fù)合晶圓技術(shù)路徑,除了濾波器外,還可以作為任意芯片原材料的制成路徑。
現(xiàn)階段,芯仕成將濾波器這一卡脖子最嚴重的領(lǐng)域作為技術(shù)切入點,未來有望從材料領(lǐng)域為下游集成電路帶來更多的顛覆性變革。通過性能的多倍提升,成本的大幅降低,擴大集成電路應(yīng)用場景,隨之而來的則是更廣闊的產(chǎn)品市場。

03
新征程:
邁過0到1,向著1到1000再出發(fā)

截至目前,帶有強烈“教授創(chuàng)業(yè)“色彩的芯仕成,在川發(fā)展院士基金、英諾天使基金等產(chǎn)業(yè)基金、市場化基金的加持下,不斷匯入資本、上下游伙伴、市場資源,走過了技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,并使產(chǎn)品具備生產(chǎn)條件、具備量產(chǎn)能力的準備階段,從產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的雙重層面,邁過了0到1的突破。
接下來,公司將專注于1到1000的發(fā)展,根據(jù)市場需求進行產(chǎn)能擴充,推進批量生產(chǎn)與規(guī)模擴展。
不管是01的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化,還是11000的產(chǎn)能擴充,都對吳教授這位“教授創(chuàng)業(yè)者“提出了更高的要求。對此,擁有雙重身份的吳教授,分享了自己的心路歷程。

“在學(xué)校做創(chuàng)新、做研究時,關(guān)心的是夠不夠‘新’。對于產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化來說,‘新‘也可能意味著沒有成熟的供應(yīng)商,無法實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。


批量化生產(chǎn)也有比實驗室更加復(fù)雜的生產(chǎn)流程。實驗室可以通過1%的成功率來驗證原理的正確,批量化生產(chǎn)中則需要確保每個環(huán)節(jié)的準確性,從而帶來足夠高的成功率來滿足市場需求。” 

對于公司運營管理和產(chǎn)品商業(yè)化,吳教授保持了更加開放的心態(tài),“工程師有比我強的地方,并不是我是教授,我的水平就比你們高,你首先要接受這一點?!?/span>
芯仕成的團隊中,技術(shù)骨干團隊碩博人才比例高達75%,其中包含12位博士。而在團隊搭建上,芯仕成選擇的所有成員,均具備集成電路行業(yè)跨國公司、上市公司或行業(yè)頭部企業(yè)從業(yè)經(jīng)驗,平均從業(yè)時間大于十年。

這讓芯仕成在實驗室技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上,又增添了不可或缺的市場經(jīng)驗、產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗,這讓公司的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化之路走更加扎實、順暢。
未來,芯仕成將“用顛覆性技術(shù)變革集成電路產(chǎn)業(yè)”作為企業(yè)的愿景,用“求實、坦誠、團隊、勤奮“作為企業(yè)的價值觀。
而對于公司的使命,作為一名學(xué)者,也作為一名創(chuàng)業(yè)者,吳教授坦言:“我們做的工作可能已經(jīng)超脫了一家普通的公司做產(chǎn)品掙錢,它還有比較大的社會價值。”
對于這份社會價值,在提及國家面臨的“卡脖子”困境時,作為一名學(xué)者,吳傳貴帶一絲歉疚地表示:“我做研究做得很早、技術(shù)成果做得再好,如果不能轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品,還是不能解決國家的產(chǎn)業(yè)問題、經(jīng)濟安全問題。”
而提及芯仕成所取得的成果與突破時,一向安靜沉穩(wěn)的吳教授,語氣突然變得興奮又欣喜:“因為我們在這個過程中又做了一些技術(shù)創(chuàng)新,我們做的良率、性能、可靠性,會比現(xiàn)在法國那家公司做出來的高很多?!?/span>
當(dāng)說出“高 很 多”這三個字時突然閃出的光亮眼神,讓新聲看到了吳教授作為一名學(xué)者兼創(chuàng)業(yè)者,在用自身研究成果打破國家“卡脖子”鎖鏈的過程中收獲到的由衷快樂。

當(dāng)前,作為成都首個萬億級產(chǎn)業(yè),電子信息產(chǎn)業(yè)已成為成都規(guī)模最大、實力最雄厚,并具有全國比較優(yōu)勢的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),具備“設(shè)計-制造-生產(chǎn)”完整產(chǎn)業(yè)鏈體系。集成電路也是成都優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一,是城市創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要支撐。
芯仕成的成長之路,便是成都圍繞電子科大、四川大學(xué)以及中電科10所、29所、30所等一批高校和科研院所,開展集成電路產(chǎn)業(yè)攻堅的一個縮影。
成都新經(jīng)濟企業(yè)俱樂部(NEEC)與西部科創(chuàng)投資聯(lián)盟將進一步落實習(xí)總書記在川視察時提出的重要指示,繼續(xù)深入重點產(chǎn)業(yè)鏈,在推進科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化上同時發(fā)力,推動政策、資本、企業(yè)、市場、人才等關(guān)鍵要素向產(chǎn)業(yè)聚集,促進更多的科技創(chuàng)新成果賦能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力,推動新型工業(yè)化建設(shè)。
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文章來源:新聲、新經(jīng)濟發(fā)展研究院