前不久，位于苏州相城经济技术开发区的晟盈半导体（SWAT）向一家国内知名驱动IC制造公司交付了一台ECD平台，引发业内高度关注。这台金凸块全自动电化学沉积（电镀）设备不仅是该领域首台国产化设备，也代表着国内电化学沉积技术在大尺寸金凸块先进封装领域取得了新的突破。

封装技术进步是推动半导体产业继续发展的重要环节。作为生产过程中的核心技术之一，电化学沉积ECD设备可以支持系统级封装（SiP）、晶圆级封装（WLP）等先进封装技术。随着摩尔定律逐渐走到物理极限，集成电路的技术路线呈现出从2维向3维发展的趋势。尤其在高性能芯片的制造方面，先进封装承担着实现超越摩尔的技术使命，市场需求维持较高速度的增长，带动行业产值快速提升，使得电化学沉积ECD设备迎来了需求爆发期。在这个时期中，国内厂商的机会在哪里？

半导体电镀设备国产瓶颈

电子电镀可以界定为用于电子元器件制造的电镀技术有别于常规电镀，电子电镀的应用领域主要包括芯片大马士革互连、印制板（Printed Circuit Board, PCB）电镀、引线框架电镀、连接器电镀、微波器件等其他电子元器件制造。作为唯一能够实现纳米级电子逻辑互连和微纳结构制造加工成形的关键技术，电子电镀成为芯片制造、三维集成和器件封装、微纳器件制造、微机电系统（MEMS）、传感器、元器件等高端电子产品生产中的基础性、通用性、不可替代性技术。从芯片的铜互连技术、封装中电极凸点电镀技术、引线框架的电镀表面处理到印制线路板、接插件的各种功能电镀，电子电镀技术应用贯穿高端电子制造的全部流程，并且在MEMS、微传感器等微纳器件制造中的应用不断拓展。因此，与常规的装饰性、防护性电镀相比，芯片制造电子电镀在种类、功能、精度、质量和电镀工艺等方面具有极高的技术要求，其发展水平直接决定了高端电子制造业的技术水平。

在芯片制造中，电子电镀与光刻技术同等重要：光刻技术在硅片上制作出高度集成的晶体管，形成芯片的“脑细胞”；电子电镀技术制作晶体管之间逻辑互连的电子导线，形成芯片的“神经网络”。芯片制造电子电镀工艺的技术难点是要在保证小尺寸、大深径比结构填充能力的同时提高互连线电性能、可靠性和平坦化潜力。从工艺角度，需要筛选大量添加剂品类，并在低于1 mg L-1的浓度范围精细调控多种添加剂配比；从材料角度，需要采用超纯镀液、添加剂等高端电子化学品，其杂质浓度要控制在μg L-1以下；从设备角度，需要合理设计电、热、液流等多场耦合作用以及高精度调控。

我国芯片制造电子电镀专用化学品和装备严重依赖进口，“卡脖子”问题十分突出，主要体现在如下几个方面。

一是电子电镀专用化学品瓶颈。超纯镀液可覆盖到14 nm技术节点，相关产品已在12英寸产线应用，但基本原材料仍然严重依赖进口。

二是电子电镀装备瓶颈。国内晶圆级先进封装的电子电镀装备初步具备量产化生产能力。但7 nm以下互连沉积设备、在线分析检测仪器、镀液检测分析仪器均被美国厂商垄断，且国产仪器中关键零部件仍严重依赖进口。面向钴互连的物理气相沉积和电子电镀设备，国内目前还是空白。

三是电子电镀工艺技术瓶颈。我国目前采用的电子电镀工艺技术包括大马士革成形、先进封装、引线框架电镀、有机基板电镀等，主要由美国和日本引进。目前芯片电子互连的最佳工艺是大马士革工艺，产业界应用的主流技术是大马士革铜互连，这也是电子电镀众多应用技术中难度最大、指标要求最高、国外垄断最严重的环节之一。我国目前采用的电子电镀工艺技术路线大都由国外引进，通过引进吸收再创新， 14 nm技术节点集成电路互连电镀已基本实现自主化，先进集成电路封装电镀部分技术已接近国际先进水平。但是，涉及填充能力、镀层品质、可靠性的核心技术专利，难以实现工艺技术的升级换代，对基础和共性技术自主掌控需求迫切。

我国芯片制造先进技术节点所用电子电镀材料、设备的自主协调发展，主要面临三个方面的问题：一是电子电镀产品化门槛高，我国研发起步晚，且受到外国技术封锁，客观技术差距大；二是市场小，回报低，但研发成本高、周期长，单凭企业投入，资金缺口严重；三是缺乏先进技术节点的互连图形芯片制造能力，技术验证受限。我国电子电镀产业面临的重点技术难题包括镀液、添加剂的成分提纯，添加剂配方的开发和高精密度湿法电镀设备的研制。

在新型电子电镀材料方面，我国还处于发展初期，主要还是根据国外先进思路进行学习和仿照。目前，随着芯片尺寸缩小，孔尺寸也需要进行相应的缩小，导致单一金属材料电阻率急剧上升，如随着特征线宽尺寸降低到14 nm以下，铜互连线路中的电阻率呈指数级增大，导致阻容延迟和焦耳热显著增加【13].高结晶度铜（单晶铜、纳米孪晶铜等）互连理论上可极大改善铜电迁移，解决铜锡合金化和柯肯达尔孔洞等问题，有望大幅改善铜互连性能、提高可靠性。根据理论计算，使用单晶铜，可以提高电导率，降低趋肤效应所造成的信号损失，有可能替代传统的焊接模式，直接进行同层互连。金属钴因具备短平均电子自由程（λ=10nm）、优异的抗电迁移（扩散活化能小至为1 eV）和扩散阻挡性能，成为芯片中备受青睐的新一代互连材料。大马士革电镀钴工艺用于14 nm以下的互连层已有研究，但尚未获得商业上的广泛应用。新型金属合金（铜铝合金、镍合金等）、先进碳材料等也被提出应用于先进技术节点互连，是未来芯片互连的关键研究方向，目前正处于研发阶段。

随着后摩尔时代的到来，先进集成封装技术被推向舞台的正中央，多种先进封装技术与先进工艺节点融合趋势明显。先进集成封装是将更多裸芯片像叠床架屋一样堆放在一起并塞进一个封装空间内。而且，还要在这些水平、垂直方向堆叠的裸芯片之间通过最小尺寸导电通道互连起来。其中，实现裸芯片厚度方向电气连接的通道即是硅通孔技术（Through-Si-Via, TSV）。三维集成封装技术通过晶圆或芯片的纵向堆叠大幅提高集成度，是电子封装技术发展的必然趋势， TSV电镀则是三维集成封装的核心。 TSV电镀正不断朝开口更小、深径比更大的方向发展。其中，有机添加剂体系（抑制剂、整平剂和加速剂）配方是实现深孔电镀的关键挑战。

国际市场经验驱动本土厂商发展

国产ECD设备的成功交付，带来了什么信号？

从市场侧来看，国内ECD设备市场增长潜力巨大。中国是全球第一大半导体消费市场，产业长期向好。根据国家发改委数据显示，2023年中国数字经济规模将达到52万亿元，2032年将达到100万亿元。随着数字经济持续壮大，半导体产业将发挥越来越重要的作用。加之，近年来中国半导体产业在努力完善产业链，补齐短板，政策与市场双重驱动，给产业链上游的设备与材料领域发展提供了极大的机遇。

从产业侧来看，当前新型市场需求的快速扩张引发了产业格局的变化，集成电路设计企业、晶圆制造厂商、终端企业都有布局半导体封装测试的趋势，先进封装领域新创企业也层出不穷。在国际贸易关系不确定性增加叠加疫情导致供应链不稳定性提升的背景下，主要封测厂商持续加大对本土设备材料厂商的支持力度，有力促进了本土封测设备材料厂商技术和规模提升。

但是电化学沉积技术终究具有较高的技术门槛，没有丰厚的技术与经验积淀根本不可能在短时间内取得成绩。以晟盈半导体（SWAT）为例，他们的关键团队有着丰富的半导体设备开发的成功经验，曾经主导ECD设备研发、生产，成功地使新设备进入国际一流半导体公司（台积电、三星、英特尔，IBM）并成为这些公司新产品生产的主流设备。在这台金凸块全自动电化学沉积(电镀)设备交付之前，晟盈半导体（SWAT）已实现多台电化学沉积设备在铜互连(RDL)及铜柱（Pillar）应用并转量产验证，获得了国内多家先进封测公司的信任。

由此我们也可以窥见半导体设备企业发展的关键要素，这些也将成为驱动中国本土半导体设备制造能力快速发展的硬实力。第一，需要有领先的技术，半导体技术需求正在发生日新月异的变化，企业需要紧跟市场需求变动提前研发新的技术。第二，产品要有较高的可靠性和稳定性，半导体生产对设备可靠性和稳定性要求很高，新设备研发、生产、交付和维护每个环节都要保证设备的可靠性和稳定性。第三，设备要有高性价比，集成电路芯片越来越复杂、价格越来越便宜，设备一定要做到成本低、产能大，才能更具市场竞争力。

ECD设备起步于封装市场对于前沿技术需求的渴望，拥有稳定且更宽的市场拓展空间。晟盈半导体（SWAT）总经理刘震球博士认为，进一步智能化和互联互通是工业和社会发展的大趋势，中国具有庞大的市场、而且在新技术推广应用上领先于其它经济体。半导体集成电路在该发展趋势中居关键地位，ECD设备也是集成电路制造的关键设备。晶圆级ECD设备的第一梯队一直是几家美国公司，为了适应半导体产业国际发展方向，中国半导体生产设备必须实现本土化。对此，刘震球博士针对晟盈半导体（SWAT）的发展制定了两步走的方案：第一步，从后道先进封装进行开局，同步进行前道晶圆生产ECD工艺的研发。这一步已于今年顺利实现。第二步，实现在前道晶圆生产ECD工艺的国产替代，首台样机计划于2024年中交付国内FAB厂进行生产验证。

国产电镀技术已实现飞跃

目前，盛美上海独创的电镀技术已在前道双大马士革和先进封装、3D TSV 以及第三代半导体应用领域均实现了质的飞跃，并分别推出Ultra ECP map（前道铜互连电镀设备）、Ultra ECP ap、Ultra ECP 3d、Ultra ECP GIII等设备。无论是多圆环阳极技术、第二阳极技术，还是高速电镀技术等，都在客户端产线表现出优异的性能。

“重点介绍一下高速电镀技术，盛美上海在2019年开发出该技术，2020年推向市场，2021年应用在了SnAg上，并且采用自主设计的paddle，根据需求对工艺进行了优化。”贾照伟介绍道，一方面采用高速镀层技术，能提高铜（Cu）和锡银（SnAg）的镀层性能；另一方面使用高速电镀技术在Cu-Ni-SnAg 结构的铜柱镀层产品上，更能提高吞吐量和缩短工艺时间。

据悉，高速铜电镀技术已被应用于盛美上海的Ultra ECP ap电镀设备，该设备可执行许多关键的晶圆级封装电镀工艺，包括铜凸块和高密度扇出（HDFO）工艺，并借助专门设计，实现快速均匀的电镀。该设备在铜、镍、锡、银和金电镀过程中表现十分亮眼。

目前，盛美上海Ultra ECP ap产业化成果颇丰，已被多家客户用于其先进的晶圆级封装制程中。今年2月，盛美上海收到8台Ultra ECP ap先进封装电镀设备的多个采购订单；5月，盛美上海与一家中国先进晶圆级封装客户签订了10台Ultra ECP ap高速电镀设备的批量采购合同。

此外，今年7月，盛美上海与上海华力申报的“前道铜互连电镀设备”获得中国集成电路创新联盟主办的第五届“集成电路产业技术创新奖”的殊荣，这份荣誉肯定了盛美上海在集成电路技术创新和产业化方面取得的突出业绩。

目前，先进封装势头强劲，国内封测厂商持续扩张先进封装产能，国产化设备进程加快。

文章来源： 芯谋研究，集微网，中国科学杂志社