打破大陆市场空白！详细解析半导体这项技术

在选择智能手机、PC显示器和智能电视，你优选的条件有哪些？刷新率更快、屏幕更柔性、屏占比更高……屏幕就像一张随时要拿来看的照片，不断被“美颜”。实际上，伴随着芯片技术和软件的发展，只有感官上更好地被看到，才能不辜负这一切的努力。

144Hz、240Hz逐渐步入了主流市场，显示开启了新一轮的高刷新率之战。事实上，除了这项参数，越来越多的极客对于屏占比的需求愈来愈高。

在追求屏占比的过程之中，屏幕“从硬逐渐偏软”，赋予了屏幕更大的折叠、弯曲空间，也为全面屏的道路铺上了一条罗马大道。但在这背后，屏幕封装工艺却如同一只“魔棒”，拥有使手机额头和下巴收紧、屏幕边框变窄的神奇功效。

21ic中国电子网曾报道，上达电子江苏邳州COF项目于9月11日正式投产，而COF封装（卷带式薄膜覆晶） 技术长期以来一直被日韩等企业掌握，对于国内来说是一处短板。通过本次投产，填补了国内本土的一处空白，也会为显示行业带来成本上的普惠。

对于大部分工程师来说，或许对这项封装技术并不太熟悉，以下便从技术、优势、生产上讲述COF封装的故事。

屏幕封装技术的“三分天下”

需要引起注意的是，无论是LCD还是OLED屏幕，从来都不只是单纯的一块屏幕。为了让屏幕“点亮”，需要将屏幕连接显示驱动IC 、FPC排线 。驱动IC主要是控制液晶层电压从而控制每个像素亮度，FPC是充当显示模组和主板的连接载体。

目前主流的屏幕的封装工艺主要有三种，分别为COG 、COF 、COP 。具体来说，有以下特点：

图1：三种封装技术对比

1、COG（Chip On Glass）： 这是最传统的封装方法之一，技术门槛低 、成本低 ，是屏幕最常用技术。从英文上也可以看出，这种方式的封装是将IC芯片、FPC排线放置在屏幕的背板玻璃上。 但由于IC芯片就在LCD的正下方，挤压了相当大部分的屏幕空间，因此不可避免地产生了“下巴”。

2、COF（Chip On Film）： 实质上来说，相当于COG的升级版，也是现在屏幕转型的关键。主要原理是将显示驱动IC芯片置入柔性的FPC排线中，再利用FPC本身的特性翻折至屏幕下方。 具体来说，透过热压合，IC芯片的金凸快（Gold Bump）和软性基板电路上的内引脚（Inner Lead）将进行结合（bonding）。由于IC芯片所占用的空间被释放，所以一般来说至少能够减少1.5毫米 的下边框宽度。

3、COP（Chip On Pi）： 属于边框减少最多的工艺，但需要强调的是这种工艺的前提是应用柔性的OLED屏幕 ，利用柔性OLED本身的弯曲特性将排线和IC全部弯折至屏幕下方。当然OLED也是分为硬性屏幕和柔性屏幕两种 ，使用这种技术必须使用COP封装技术+柔性OLED 的组合。但本身这项技术仍然还有成本较高、良品率低的缺点。

图2：通过排线和IC减少下巴长度

纵观整个屏幕封装市场，显示屏逐渐从18:9转向19:9和20:9演进，显然更窄的COF和COP更适应未来的窄边框的高占屏比需求。

从市场方面来讲，COG封装技术主要集中在中小型尺寸 ，COF封装技术主要集中在中大型尺寸 ，COP封装技术受制于柔性OLED并且也主要集中在中小型尺寸 。

为什么江苏上达选择的是COF封装？江苏上达电子总经理沈洪在接受记者采访时表示，屏幕正在由LCD转向OLED，但不论哪一种屏幕都需要COF封装技术 。COF封装的优势领域在大尺寸面板，虽然面板一直在革命性发展，但点亮屏幕仍然依托显示驱动IC。反观占比更小的COP封装技术事实上已经超出线路板领域，换言之即将显示驱动IC固定在屏幕上，而不是线路板。

他表示，除了大家都比较关注的手机，COF封装技术90%的出货量和销售市场都集中在大尺寸面板，手机面板占据了上达电子的10%。 大尺寸面板在未来拥有8K大尺寸电视、5G和AIoT万互联、汽车屏幕等，智能化时代下人机交互单元都有可能会被赋予大尺寸的屏幕，因此COF封装的未来应用是广阔的。

记者认为，替代COG封装是行业追求更好显示效果的必经之路，而COP封装则依赖面板类型，主要还是适用中小尺寸面板上，在成本和良率上也仍然拥有一定的发展空间。因此大力发展较为成熟的COF封装技术，正是时下AIoT时代爆发的好选择。

COF封装几乎占据LTPS-LCD市场，另外从数据上来看，COF的智能型手机渗透率2018年为16.5%，2019年则达到35%。

从市场上看COF

从工艺上来说，COF分为单层COF 和双层COF 两种。普遍来说单层COF比双层成本上要低5倍，但一般的机台的精准度无法满足单层COF，对技术要求很高；双层COF拥有更好的解析度，但打两层COF，需要更多bonding（芯片打线及邦定）设备，成本高昂。

产业链数据显示，COF比COG整体单价高出9美金左右，其中COF驱动IC芯片上比COG芯片成本高2-3美金，FPC材料和COF专用的bonding的成本高5-6美金。

根据沈洪的介绍，整个COF市场单纯从COF基板上来说，拥有60-70亿人民币的市场，如果算上COF封测和显示驱动IC的话，大概拥有700-800亿人民币的市场。

但由于这项技术是高端专业化的市场，具有一定技术壁垒和门槛，在设备和研发的投入极大，COF市场呈现出了“马太效应”。此前，规模化生产COF的企业包括韩国Stemco（服务于三星OLED）和LGIT（服务于LG的OLED和LCD）、日本的FLEXCEED（前身为日本新藤电子，服务于LG和夏普的LCD）和中国台湾的颀邦和易华。国内大陆面板产业对于COF封装基板几乎全部依赖进口，其中中国台湾COF产业链针对内地市场多为单层COF基板。

根据沈洪的介绍，上达电子2018年全资收购了FLEXCEED株式会社，通过将日本子公司FLEXCEED的技术转移至江苏子公司，并在此基础上结合产学研自主研发，已具备国际领先的COF封装基板研发、设计和制造能力。 将实现全流程“卷对卷”自动化生产。

投产一期采用业内最先进的制程工艺生产8μm等级的单面带COF产品 。据了解，上达电子将会拥有业内最先进的单面加成法工艺、双面加成法工艺生产10微米等级的单、双面卷带COF产品。

而这家被收购的日企，则是日本目前唯一的TCP/COF生产厂家，成立于1971年，先后合并日本卡西欧，日立等企业，发展成为世界级COF工厂。沈洪表示，FLEXCEED是一家历史悠久的COF工厂，首先上达电子将会将其专利技术拷贝转移到中国工厂内，之后面对新市场，将结合客户需求在市场上进行升级，并联合高技院校申请自己的专利。

FLEXCEED自成立之初便以自主开发技术为其核心竞争力，所发布专利涵盖高密度超精细线路板生产设备，生产工艺，产品设计等，全面对应最先进的线路板生产技术。当前中国线路板行业线路的线心距水平尚处于80μm级别，而FLEXCEED持有技术已可对应线心距18μm级别。

根据之前的信息可以看出，在2004年上达电子深圳有限公司成立之初，便是是国内位居前列的FPCA专业制造商。COF从整体来讲，本身就是柔性线路板中重要板块之一，因此上达电子在COF上具有得天独厚的优势。

COF的产业链包括基材（Base Material）、COF Film、COF封测（PKG）、IC设计（Design House）和终端面板（panel，SEI），其中上达电子位于COF Filim和COF封测中。在产业链上，上达电子拥有国内半导体显示面板驱动IC产业链中独一无二的上下游关系网。沈洪为记者介绍，COF封测的技术源头在于芯片设计，芯片引导了整个下游产业的技术提升和发展，上达电子也会根据整个产业链在工艺精度、设备升级、材料变更上逐渐跟进前端业务。

沈洪在投产仪式中曾表示，量产线于9月初顺利投产，预计今年10月以后后段制程产能可达750万片/月，2021年3月全制程产能可达1500万片/月，2021年年底全制程产能可达3000万片/月。

需要注意的是，上达电子的COF领域分为显示领域 和非显示领域 ，前者专指DDI（显示驱动）IC封装，后者则代指其他领域包括LED、医疗、工业打印机等。

综上，上达电子在COF上打破了国内的空白。与此同时，也撬动了这一产业链的发展，逐步形成自己的产业规模。

从生产上看COF

COF的工艺流程复杂，需要经历冲孔（Hole Punching）、涂布（Photo resist）、曝光（Exposure）、显影（Development）、蚀刻（Etching）、化锡（Electrolesstin plating）、自动光学检测（AOI）、印刷（SR print）、分切（Slit）、电检（O/S Testing）、自动外观检查（AVI）、出货（Shipping）。

上文也有提及，上达电子实现的是全流程“卷对卷”自动化生产 。一般“卷对卷”生产方式针对的是高端显示模组，与这种生产方式相对应的是“片对片”生产方式。所谓“卷对卷”就是采用卷铜箔绷直方式，保障了产品的平整度从而保证了细线路产品生产。“片对片”则相对来说更加容易在产品转移过程中影响产品品质。

江苏上达电子COF具有6个独有优势： 最先进的18μm Fine Pitch减成法蚀刻技术、防漏光黑色油墨印刷技术、二次化锡技术对应的20倍高弯折性能、产品稳定良率高的累计公差技术、最精密的18μm Pitch AOI检查技术、全制程设计开发制造技术的技术优势。

图3：COF的工艺流程

COF方案中FPC主要采用PI膜， 线宽线距在20μm以下，这种要求之下，FPC减成法已无法满足要求，主要以半加成法、加成法为主。 通过介绍得知，上达电子通过设备改良，药液体系升级，工艺精细管控能力提升，实现8μm超精密线路工艺（即18μm线宽距），在实现线路精密化的同时，更进一步提升了COF产品的可靠性要求。

图4：上达电子的超精密细线路技术

值得一提的是，驱动IC在4K、8K的高清显示之下，高速驱动下的功率提升导致驱动IC工作温度上升，散热成为必须解决的问题 。达电子开发厚铜（12μm）精细线路技术，与普通的产品相比，其截面积增加50%，有效提升了驱动IC工作时的散热能力。

图5：上达电子的厚铜技术

电子产品在复杂环境下的应用中，可靠性提升成为永恒话题。 对产品而言，可靠性越高越好，产品的可靠性越高，其可以无故障工作的时间就越长。

平板显示器在使用中，大多数人会选择使用玻璃清洁剂进行除尘除渍，清洗剂渗入COF会造成油墨腐蚀导致显示功能不良，因此需提高耐化学性 。上达电子则应用了新型SR材料提升COF产品的耐化学性。

图6：耐化学性的提升

另一方面，为使边框更窄、产品更轻薄，要求COF折叠至接近死折的状态，因此需要提高耐弯折性 。上达电子使用的新型化锡技术，弯折区域SR下闪镀锡厚非常薄，其弯折性能接近无锡状态下的纯铜结构，以此获得高耐弯折性。

图7：耐弯折性的提升

记者参观上达电子产线后发现，充分感受到了上达电子产线的智能化。通过介绍得知，产线设备利用大数据互连，智能化程度高，可实现核心工艺参数智能调节，产品品质实时在线监测，是产品技术水平先进性与品质可靠性的核心支撑。

记者认为，通过布局国产化的COF Film和COF封测，产业空白被填补，COF本身的成本问题将得到一定解决。而通过产业的不断研发和升级，这一产业链配套产品也将逐渐转向自研。

21ic中国电子网出品，记者：付斌

第三代半导体材料的选择难题待解：技术、资本、成本

作者：王汉星

回顾2020年，新冠肺炎疫情的蔓延持续冲击着全球半导体产业链。与此同时，国际贸易形式的变化对国内半导体产业的发展与突破带来严峻挑战。在此背景之下，以碳化硅、氮化镓为核心的第三代半导体材料，伴随着功率器件产业的景气度上升，逐步成为市场关注的热点。

这其中，第三代半导体相较前两代尚处于发展初期，国内外龙头厂商差距较小。那么，第三代半导体材料究竟能否成为国内半导体产业实现全面自主化的突破口？行业内存在哪些难题与瓶颈？所谓的“弯道超车”是拼命还是“取巧”？

理论基础：功率半导体激活增长空间

要回答以上问题，首先要对第三代半导体产业链有一个大致的了解。第三代半导体材料主要包括碳化硅、氮化镓、金刚石等，又被称为宽禁带半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及高辐射等条件的要求。当前，第三代半导体材料主要应用于功率半导体领域，应用场景涵盖新能源汽车、高速轨道交通、新一代移动通信、智能电网、航空、航天等。从应用角度来看，第三代半导体材料与国内的新基建、消费电子市场密切相关。

中国是全球最大的功率半导体消费市场，根据IHS Markit预测，2018年全球功率器件市场规模约为391亿美元，预计至2021年市场规模将增长至441亿美元，年化增速为4.1％。国内市场方面，2018年需求规模为138亿美元，增速为9.5％，占全球需求比例为35％。预计2021年国内市场需求规模将达到159亿美元，年化增速达4.8％。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：全球半导体贸易统计组织

从上图可以看出，全球功率半导体市场的规模增长在近年来趋于平稳，国内的平均增速略高于国际市场。事实上，功率半导体在工业控制和消费电子两大主要应用领域的产业链已相对完善，技术相对成熟，因此增长的弹性较低。但随着近年来国内新基建概念的兴起，功率半导体的应用领域开始逐步向5G、新能源、轨道交通、智能电网、变频家电的增量市场拓展，从而获得全新的长期增长动力。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：华润微招股说明书

从主要产品结构中可以看出，IGBT、MOSFET等近期热门词汇均是功率半导体领域的相关产品，根据IHS Markit的预测，MOSFET和IGBT是未来5年增长最强劲的半导体功率器件。此外，第三代半导体材料的应用还包括5G新基站建设、智能手机、以及新能源汽车三大热门领域。根据世纪证券研报数据显示，5G宏基站使用的PA功率放大器数量在 2019年达到1843.2万个，2020年有望达到7372.8万个，同比增长有望达到4倍。预计2020年，基于GaN工艺的基站PA占比将由去年的50％提升至58％；智能手机领域，预计 2020年全球GaN充电器市场规模为24.41亿元，2022年有望达到87.74亿元。

综上所述，在新基建的带动下，新能源汽车、消费电子、智能电网、轨道交通、LED、5G等新兴市场增量通过功率器件传导至上游的第三代半导体材料行业，从而为行业的发展打开了新的“窗口”，市场需求的客观存在为国内第三代半导体材料行业的“弯道超车”提供了理论基础。

实际操作：“技术+资本”是突围关键

而在理论基础之上，国内相关产业链上的企业则是实现“弯道超车”的主体与关键。从全球市场格局来看，据IHS Markit统计，在功率半导体领域，2018年全球功率半导体市占率最高的企业依次为德州仪器、英飞凌、安森美及意法半导体；其中英飞凌、德州仪器及安森美亦是在中国区域内功率半导体市占率最高的企业。

Omida统计显示，2019年全球功率半导体市场规模约为468亿美元。其中，中国占全球市场约36％的份额。在国产化方面，2017年，功率半导体主要器件国产化率低于50％，主要产品IGBT模组、MOSFET、晶闸管、整流器的国产化率仅有30％。

上游材料领域，根据Yole统计数据，以导电型产品为例，2018年美国占有全球碳化硅晶片产量的70％以上，仅CREE 公司就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。国内碳化硅晶片厂商所占市场份额不足3％。从以上数据中可以看出，与国内半导体产业的其他细分领域相一致的，自主化替代仍旧是第三代半导体材料及其应用领域的首要任务之一。

今年年初，斯达半导、华峰测控、华润微等第三代半导体材料及相关功率半导体领域重要厂商陆续登陆A股市场，随着市场关注度的迅速提升，叠加资金与资本的入场，第三代半导体材料产业的自主化替代进程提速。当前，A股第三代半导体概念相关个股共计45个，其中在2020年上市的有9家。部分主要厂商的业务与市值情况如下所示：

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

从资本市场表现来看，年内第三代半导体指数涨幅为6.91％，略低于大盘。而成分个股方面，年内涨幅最高的斯达半导达到1794.09％，年初至今涨幅超过100％的个股共计16家。从市值分布情况来看，如下图所示：

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

整体上看，A股第三代半导体概念板块的总体市值体量不大，大量上市公司集中在300亿市值以下，并且个股的年内涨幅呈现出较为明显的两极分化趋势。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

从第三代半导体行业重点上市公司2020年上半年的经营数据来看，大多数企业的营收与利润均实现增长，且利润增速普遍高于营收增速。在研发方面，根据2020年半年报数据，第三代半导体板块的平均研发占比为5.25％，其中总市值在200亿元以上的企业平均研发投入占比为6.05％。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：巨灵财经

如上图所示，第三代半导体企业2020年上半年的毛利率水平与研发投入占比并无明显的正比关系。但从整体上来看，市值排名靠前的头部企业大多数拥有更高研发投入占比及毛利率。第三代半导体是技术高度密集的产业，因此对于企业的研发投入和研发周期都有较高的要求，以碳化硅为例，虽然经历了数十年的研究，但目前碳化硅生长技术仍然只有美、德、日的少数几家厂商掌握，且距离大规模产业化还有一定差距。

目前全球第三代半导体材料产业所面临的难题对于国内企业来说既是挑战，也同样是机遇。相较前两代半导体材料，第三代仍处于发展初期，因此国内外龙头厂商基本处在同一起跑线上。此外，国内庞大的需求市场叠加“十四五规划”、新基建对于新材料领域的发展诉求，为国内相关厂商提供了不错的发展土壤。最后，随着资本助推的不断发力，国内第三代半导体企业的突破与升级便拥有了实际操作性。

“弯道超车”仅仅只是开始

那么，有了理论基础和实际操作性，第三代半导体材料能否成为国内半导体产业链实现“弯道超车”的重要契机呢？回答这一问题之前首先要明确两个前提：1）功率半导体≠所有半导体，第三代半导体材料并非所有场景下的最优解；2）从技术突破到实现民用还有很长一段距离，这其中的成本问题至关重要。

将以上两个前提结合起来看，首先在应用环节上，碳化硅可以制造高耐压、大功率电子器件，例如MOSFET、IGBT等，多数应用于智能电网和新能源汽车行业。氮化镓具有高临界磁场、高电子饱和速度等特点，适用于5G通信、微波射频等应用领域。因此，第三代半导体材料的主要应用场景为功率器件和射频器件，与整个半导体产业链的市场规模相比仍然比较有限。而主流的存储、电路等手机芯片还是以硅为主，这也是目前市场规模最大的领域。

制图：金融界上市公司研究院 数据来源：赛迪智库、世纪证券研究所

事实上，在新能源、新材料领域，成本往往起到决定性作用。新旧替换并非不计成本，如果第三代半导体材料的成本无法下降到一个合理区间，在应用领域就无法被大多数厂商所接受。尽管第三代半导体材料在功率器件等方面优势明显，并且在光电子和高频微波器件等方面具有发展潜力，但在部分逻辑器件上相对于第一代半导体材料硅并无任何性价比优势。根据华安证券研报数据显示，目前碳化硅行业发展的瓶颈主要在于碳化硅衬底成本高达到硅 的4-5倍，预计未来3-4年价格会逐渐降为硅的2倍。

因此，国内的第三代半导体材料行业，在新基建、消费电子的带动下有着巨大的市场潜力，同时国产化替代也蕴含着庞大的发展空间，行业的长期增长逻辑客观存在。而在技术突破上，“拼命”自不必说，国内半导体产业的自主化进程并无“巧”可取，若能实现“弯道超车”也仅仅只是开始，在打破技术壁垒的基础上，真正实现“平价”，突破成本瓶颈，才是第三代半导体行业乃至整个半导体产业良性增长的保障。

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