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一家日本的味精廠造成全球芯片短缺,真相竟是這個……

2021-09-17 02:27:57

  文章來源于探臻科技評論?,作者周康林等

  近日,全球缺芯潮導致芯片價格不斷上漲,甚至影響到了蘋果等巨頭的手機出貨。讓人意想不到的是,全球“缺芯潮”的重要原因之一,竟然是一家日本味精廠的產能不足。先暫不討論一家味精廠能否果真卡住全球半導體產業的脖子,但在日本確實存在這么一家企業——味之素集團,它以味精起家,成長為全球半導體行業不可忽視的材料供應商。他山之石,可以攻玉,這個故事對于我國半導體產業發展或許有新的啟示。

  撰文?|?周康林

  01

  味之素的創立:谷氨酸鈉的故事

  味精的主要成分是谷氨酸鈉,這是一種提取自海帶、大豆等植物之中的化學物質。1908年,日本帝國大學的化學教授池田菊苗率先發現這種神奇的鮮味物質,并與一位名叫鈴木三朗助的日本商人合作,共同成立公司,將產品命名為“味之素”,這便是味之素集團(Ajinomoto)的前身。

  “味之素”一經問世便受到了大家的歡迎,時至今日,味精已經成為每家每戶必備的日常調味品。味之素集團也隨之發展壯大,將產品擴充至湯料、冷凍食品、氨基酸等領域,產品銷至100余個國家。2020年5月,味之素集團名列2020年福布斯全球企業2000強榜第1505位。

  作為一家調味品、食品領域的企業,味之素是成功的,但同時也是典型的,發展路徑并沒有特殊之處。又是什么讓公司口號為“Eat Well, Live Well”的味之素走上半導體材料這條“不務正業”之路呢?

圖:味之素在我國銷售的“紅碗”牌味精  圖:味之素在我國銷售的“紅碗”牌味精

  02

  味之素轉型:從味精廠到半導體細分材料龍頭

  味之素集團在機緣巧合下發現,制作味精的類樹脂副產物具備極佳的絕緣性能,似乎具有成為半導體絕緣材料的潛質。1996年,味之素公司對此新材料進行技術立項,開始了一場“味精廠大冒險”。

  芯片又名集成電路,顧名思義,就是將數以億計的晶體管集成于一塊小小的芯片之中,通過晶體管的關斷和開啟分別表示“0”和“1”,從而傳遞信號、傳輸數據,以實現復雜的指令。而在連接芯片內部納米級電路和芯片外部毫米級電路的時候,就必須考慮電路之間的干擾問題,使用絕緣材料進行封裝。而傳統的絕緣材料是液態的絕緣油墨,需要對電路表面進行噴涂、晾曬、干燥,工藝非常復雜,并且由于噴涂均勻性、覆蓋率較難精準控制,絕緣效果并不理想。

圖:用絕緣油墨進行絕緣處理的流程  圖:用絕緣油墨進行絕緣處理的流程

  在新型絕緣材料的開發上,味之素集團當時的開發負責人竹內孝治(Koji Takeuchi),他跳出油墨材料思維定式,認為薄膜材料才是未來的方向。但在當時的技術環境下,一直沒找到符合產業化的薄膜材料。

  此時,團隊中一名叫做中村茂雄(Shigeo Nakamura)的年輕員工,選擇了一種需要深度冷凍的樹脂。這一樹脂竟然完美符合理想材料的各種特性。隨后,中村茂雄不斷地拜訪機器制造商,終于找到了適合的將絕緣樹脂薄膜層壓到基材上的機器。最終,團隊在短短四個月內就完成了原型與樣品開發。革命性的味之素ABF材料(Ajinomoto Build-Up Film),又稱“味之素堆積膜”,便從此誕生,將其用于芯片封裝,大大提升了產品良率。

  然而,即使找到了理想的絕緣材料,味之素集團仍面臨更為嚴峻的市場關。在研發成功后的近三年時間內,團隊都沒有為ABF材料找到市場。究其原因,第一,當時半導體產業已經習慣液態油墨作為絕緣材料,對硬質的ABF材料一時間難以適應;第二,ABF材料面臨著強有力的競爭對手——由德國拜耳化學、日本三菱瓦斯化學共同研發的BT樹脂材料,兩家公司都是具有深厚技術積累的化學材料巨頭;第三,味之素,一家味精廠,賣賣味精還可以,突然來做半導體材料,似乎怎么說也“名不正言不順”,沒有半導體公司為其背書,短時間內無法獲得業界信任,難以進入材料供應體系。在味之素后來拍攝的ABF研發紀錄片中有一個情節,在竹內孝治和中村茂雄帶著樣品拜訪客戶時,門口的保安一聽說他們是味之素集團的,直接指著旁邊樓上的小餐廳對他們說,順著樓梯走就到了。市場的冷遇無疑給團隊帶來了巨大的挫敗感。

  這時,英特爾(Intel),當時全球最大中央處理器制造商出現了。1999年,英特爾已經是一家市值超過5000億美元的巨無霸公司。同年,英特爾發布 Pentium Ⅲ 500MHz處理器,采用0.25微米工藝,CPU核心由950萬個晶體管組成。隨著計算機操作系統從DOS向Windows轉變,個人計算機終端需求越來越大,CPU制程越來越精密,絕緣油墨已經很難滿足精細電路的要求,英特爾為尋找理想的新絕緣材料而感到十分頭疼。

圖:英特爾公司  圖:英特爾公司

  直到英特爾發現味之素ABF材料,才得以一緩燃眉之急,迅速與味之素建立了合作。從此,一家味精廠與全球最大的CPU廠商發生了奇妙的交集,創造了一個半導體產業的傳奇故事。至2021年,ABF材料已經取得了巨大的成功,而中村茂雄,也從基層員工成為了味之素精密技術公司的總裁,二十余年光陰的一場豪賭,終于見到曙光。

圖:中村茂雄(右二)與同事  圖:中村茂雄(右二)與同事
圖:芯片與ABF材料  圖:芯片與ABF材料

  ABF材料的推廣也并非暢通無阻,隨著21世紀智能手機與移動互聯網的浪潮到來,電腦出貨量不斷下降,而ABF材料適用于電腦使用的CPU,在早期智能手機之中沒有用武之地,價格也相對其他材料更為昂貴,不占優勢。ABF材料又再次陷入低谷,前景渺茫。直到后來,AI、大數據、云計算等技術使得高性能計算成為趨勢,CPU的晶體管密度越來越高,唯有ABF材料能跟上半導體先進制程的工藝進步,達到超細線路、超細線寬/線距的需求。此時ABF材料應用市場才重現曙光,直至今日,在計算機、智能手機、5G通信、自動駕駛汽車、云計算、物聯網設備之中,ABF材料都是不可或缺的關鍵成分。

圖:ABF材料的應用領域 圖:ABF材料的應用領域

  03

  ABF材料推動了半導體產業發展進程

  事實上,ABF材料對半導體產業的影響,遠不止于此。可以說,ABF材料直接引領了半導體先進封裝的進步。

  芯片主要解決的是“計算”的問題,但要想接收運算指令、輸出運算數據,正常發揮功能,就需要與外部電路進行連接。所以,芯片是被安裝在印刷電路板(PCB)上的,PCB相當于芯片的底座,其上往往有幾塊甚至幾十塊芯片,PCB上也有密密麻麻的布線,從而起到連接各個電子元件的作用。如果說一塊芯片是一個“城池”,那PCB上的布線就是“城池”之間的“道路”。

  但是,芯片怎么與PCB之間建立連接呢?之前,芯片與PCB之間多使用“引線框架”連接,也就是簡單粗暴地使用金屬絲將芯片的引腳與PCB連起來。而現在,在芯片的先進封裝工藝里,“封裝基板”的存在感越來越強。

圖:芯片、封裝基板與PCB的關系  圖:芯片、封裝基板與PCB的關系

  封裝基板(Substrate)也叫做IC載板,相當于芯片與PCB之間的橋梁,將芯片與PCB互連所需的電氣結構全部封裝為一體。目前芯片的制程達到了5納米,而PCB的制程還處于毫米級,就像溪水東流入海還需要經過江河一樣,芯片到PCB也還需要封裝基板進行中間過渡。

  而封裝基板的基材,正是用的ABF材料——通過對ABF板進行蝕刻、鍍銅等操作,形成一層又一層的導電圖形。使用ABF基材的封裝基板,最低可達到5/5微米的線寬/線距,可以說是“微雕”級別的水平了,實現再復雜的電氣結構都不在話下!ABF封裝基板基本上已經成了當今CPU、GPU等高端電子產品的指定“御用”材料和標準配置。從這個角度,ABF材料直接推動了半導體先進封裝的進步,也加速了芯片高復雜度、高集成化的演變趨勢。

圖:ABF材料應用于封裝基板  圖:ABF材料應用于封裝基板

  04

  ABF材料真能卡住全球半導體產業鏈脖子嗎?

  據國內最大晶圓代工(可以理解為芯片制造)企業中芯國際的內部人士透露,“目前,ABF基板的訂單交付時間已經由原來的8周左右延長到超過30周。”也有產業鏈消息稱,自2020秋季起,全球最大晶圓代工企業臺積電的ABF存貨就已不足,ABF材料缺貨可能會持續到2022年。

  疫情影響疊加下游芯片需求突然增長,牛鞭效應使得供需緊張度在產業鏈上的傳導存在滯后。味之素并不能馬上擴產,ABF產能從立項規劃、產能爬坡到滿產狀態也至少需要一年以上時間。ABF材料的供不應求,確實一定程度上影響了芯片的出貨,尤其是高端硬件的出貨。

  ABF材料真能卡住全球半導體產業鏈脖子嗎?先說結論,卡了,但沒有完全卡。

  如果說“卡脖子”的定義是,缺貨就造成全球半導體產業鏈的癱瘓,那ABF材料并沒有如同阿斯麥公司(ASML)生產的光刻機一樣的魔力,因為畢竟還有BT樹脂、MIS樹脂等其他替代材料,其他的類ABF材料也有不少廠商在跟進研發之中。但是,不可否認的是,其他材料目前的性能、成本都無法與ABF材料匹敵,若ABF材料缺貨,短期內很難有一種材料能夠對其完美替代。

  換句話說,如果味之素集團從此刻憑空消失,全球高端硬件的出貨數量與出貨質量也許會在5年或者更長的時間周期中受到不小的拖累。但是,倘若給其他公司足夠的時間、資金、人力進行研發,讓性能更優的ABF材料重新問世也并非不可預期的事情。

  半導體與芯片,本質上就只是一種蘊含著高技術含量的商品。可以說,任何一種核心材料、設備都可以從“商業壟斷”與“技術壟斷”兩方面進行分析。

  “商業壟斷”角度:以味之素為例,味之素ABF材料在商業上形成了一種“自然壟斷”。最初,味之素用于技術研發、設備購買、產能建設的固定投入是非常之高的。由于規模效應,味之素ABF材料的生產邊際成本在一定范圍內是遞減的,也就是說,ABF材料下游訂單數量越大,越能攤薄味之素集團的固定投入,每多生產一單位ABF材料帶來的新增成本就越低。這樣一來,味之素也可以壓低其ABF材料的銷售價格,其他企業若貿然進入,必將承受高固定投入與長期持續虧損的壓力。此外,半導體材料供應多采取“供應商認證”制度,新材料的轉換成本高,驗證流程復雜,味之素多年積累維護的客戶關系也是其地位牢固的原因。從而,不少企業都望而卻步,在投入產出核算的“經濟賬”的角度,味之素已經形成了“商業壟斷”。

  “技術壟斷”角度:味之素對ABF 材料的研發已經持續了近30年,積累了數量龐大的專利,其他企業若想研發,只能從0到1、白手起家,再走一遍當年味之素走過的彎路。就算最終研發出來了,性能、質量也很難達到味之素ABF材料的水準。更為典型的“技術壟斷”例子,是芯片光刻機、航空發動機、操作系統、工業軟件等等,其背后的基礎理論復雜度、技術領先優勢、生產工藝難度都比ABF材料高了不止一個量級。而這些,才是我們更需要集中力量攻堅克難的領域。

圖:航空發動機圖:航空發動機
圖:光刻機  圖:光刻機

  05

  從味之素研發ABF看我國半導體產業發展

  味之素研發ABF材料的故事,充滿戲劇性和理想主義色彩。而我們對待ABF材料的態度,既不能以“外強敘事”的口吻進行神化,也不可輕視自大。從中也許可以得到我國半導體產業乃至硬科技產業發展的幾點啟示。

  啟示1:

  “商業壟斷”與“技術壟斷”并非完全割裂,而是存在著緊密聯系,甚至可以互相轉換。最初,技術優勢可能會帶來成本/產品性能優勢,助力企業在市場上獲得競爭優勢,加速商業壟斷的形成。而商業壟斷給企業帶來的持續資金流入、客戶反饋、商業生態,給了企業再研發、技術迭代升級的動力,經過時間積累,技術優勢最終形成技術壟斷。

圖:技術優勢、商業壟斷與技術壟斷之間的關系  圖:技術優勢、商業壟斷與技術壟斷之間的關系

  啟示2:

  重視基礎研發與應用研究,啃硬骨頭。味之素集團從上世紀70年代就開始對環氧樹脂及復合材料進行基礎研究,厚積才能薄發,有了深厚的基礎研究積淀,才會有后來ABF材料的成功。雖說有機緣巧合的因素,但一家味精廠尚有如此擔當與遠見,著實讓人肅然起敬。萬丈高樓平地起,在硬科技領域,由最初基礎研發帶來的技術優勢,是后來所有輝煌商業故事的源頭。

  啟示3:

  在國外已經形成技術壁壘的領域,正視國內外技術差距,知恥后勇。由于起步慢、底子薄、西方政治封鎖等因素,我國在半導體領域,尤其是設計軟件、材料、設備領域與國外差距較大。如何打破核心領域技術壁壘,是一件涉及資金、人才、時間的復雜系統工程。板凳要坐十年冷,要正視國內外技術差距,摒棄“造不如買、買不如租”的思維,做好幾代人持續接力追趕的準備。

  啟示4:

  在國外尚未形成技術壁壘的新興領域,重點聚焦,彎道超車。在一些新興領域,國內外尚處于同一起跑線,甚至我國還具備后發優勢,這給予了我國趕超的契機。例如,中國有著全球最優質的通信環境和最發達的互聯網,這樣的沃土誕生了華為、中興等通信設備巨頭,也使得中國的通信技術、人工智能技術、云計算技術走在世界前列。此外,技術路線的顛覆,也可能給予新進入者以機會,例如味之素ABF材料就是以固態薄膜替代液態油墨,而阿斯麥光刻機則以“浸潤式光刻”替代“干式光刻”,新興技術路線有機會對傳統技術路線產生“降維打擊”。

  啟示5:

  融入全球產業鏈與商業生態,實現融合式、嵌入式發展。全球產業鏈半導體已經發展到了極度復雜、精細分工的狀態。一個小小的芯片組件,可能就是一個微縮的“地球村”,芯片設計可能在美國、中國,芯片的硅晶圓片可能來自日本、韓國、德國、法國、芬蘭,芯片生產可能在中國臺灣,光刻機來自荷蘭,光刻膠、濺射靶材來自日本。各國通力合作,你中有我,我中有你,像鏈條一樣環環相扣,任何一環的斷裂都會對整個產業鏈造成不可忽視的影響。換言之,任何一個掌握核心環節之一的國家,哪怕這個環節很小,也能夠擁有對整個產業鏈“一票否決”的話語權。

圖:半導體產業鏈  圖:半導體產業鏈

  一個典型的例子就是日本,日本1990年在全球芯片市場的份額達到驚人的90%,而現在只有10%不到,在半導體領域的影響力似乎逐漸式微。但值得注意的是,日本目前占全球半導體材料市場份額達52%,占全球半導體設備市場份額達37%。在硅晶圓、光刻膠、鍵合引線、引線框架、模壓樹脂等半導體材料領域;在電子束描畫設備、涂布/顯影設備、清洗設備、氧化爐、減壓CVD設備、劃片機、探針器等半導體設備領域,日本企業都處于近乎壟斷的地位,有著極強的競爭力。每個細分領域,放在整個產業鏈之中看似乎是微不足道的,但“一招鮮,吃遍天”,整合起來就筑牢了日本半導體大國、半導體“隱形冠軍”的根基。

  現在,全球半導體產業向中國轉移,但我國企業在關鍵軟件、材料、設備的市占率還不高。一方面,實現全面自主可控和國產替代雖“路漫漫其修遠”,但是是不可逆轉的潮流;另一方面,重視基礎研究、利用比較優勢、把握關鍵環節,在細分領域深耕、突破;同時,也需要認識到芯片本質是商品,積極融入全球半導體產業生態,實現融合式、嵌入式發展,提升自身話語權。

  參考資料

  [1]味之素集團官網https://www.ajinomoto.com

  [2] 一家日本味精廠真的卡住了全球芯片產業的脖子?https://mp.weixin.qq.com/s/giXUDOJncJUr3JlGolIjkA

  [3]深度丨芯片產業頂端,日本味之素風云https://new.qq.com/rain/a/20210310A0DQ5E00

  [4] 中國半導體材料行業現狀,大部分高端市場仍然被歐美和日本壟斷https://baijiahao.baidu.com/s?id=1704701275499865850&wfr=spider&for=pc

  [5] 全球芯片短缺,根源在哪里?https://baijiahao.baidu.com/s?id=1692114124140174329&wfr=spider&for=pc

  [6] 日本調味品巨頭味之素:一門關于味道的生意https://mp.weixin.qq.com/s/bVwaBOmTOwQ78MWy8pKNng

  [7] 一家日本工廠,竟是全球芯片荒的“元兇”?https://mp.weixin.qq.com/s/nHQCjVkKCziBVVslkjyoPQ

  [8] 熱點 | 全球“缺芯”,ABF材料再度引發關注https://mp.weixin.qq.com/s/tUDWOE77FF0Zo5BdDadu8g

  [9] 芯片大缺貨下的思考https://mp.weixin.qq.com/s/1wJhyBTxOGLs6hZm95FUPQ

  [10] PCB行業分析:從PCB、IC載板到類載板https://zhuanlan.zhihu.com/p/115172285?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=880030260824018944&utm_campaign=shareopn

  [11] 半導體產業鏈全景解析https://baijiahao.baidu.com/s?id=1667931486844978125&wfr=spider&for=pc

文章來源: http://www.hanafoslive.com/keji/1508939.html

標簽:日本英特爾樹脂

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