近年来,随着贸易冲突愈演愈烈,美国的制裁措施也越来越严厉,尤其是半导体芯片制造等高科技领域。
最为知名的,莫过于对华为的制裁,让其陷入无芯可用的困境,中国缺少先进制程芯片的晶圆制造能力——尤以ASML等为代表的半导体晶圆制造设备最为欠缺。在半导体晶圆制造设备中,测量系统需要用到各种高精度传感器,据悉,目前这些高精度传感器几乎100%进口。
微小力传感器即为其中一种被“卡脖子”的核心传感器,在半导体加工制造设备、航空航天、医疗等领域应用广泛,这是一种应用于微观力量测量的高精度传感器。微小力传感器在半导体制造等领域用在哪里?我国企业如何突破垄断?国产微小力传感器能实现进口替代?此前,在Sensor Shenzhen 2024上,编辑采访了国产微小力传感器初创企业——沃力测控(苏州)有限公司(下文简称“沃力测控”)销售总监孙松,据介绍,目前沃力测控拥有国内最顶尖的微小力传感器核心技术,已获得半导体芯片加工制造设备、电池等众多下游厂商的青睐。今天,我们来看看这家国产尖端传感器技术企业如何突破卡脖子,实现国产自主研发。
背靠国产压力传感器龙头企业,核心团队来自德企,产品对标美日德一流传感器企业,国内无对手!突破微小测力传感技术垄断!
据沃力测控(苏州)有限公司销售总监孙松介绍,沃力测控核心团队成员来自于德国传感器公司HBM,团队成员包括设计研发、工艺、品管、供应链等,骨干员工均在HBM服务超过15年。德国HBM公司成立于1950年,以力学传感器知名,主要基于金属应变式称重传感技术。
目前,沃力测控主要聚焦于微小量程称重系统(精度为1mg,0.1mg)以及带解耦的力传感器、静态和动态扭矩传感器等,服务于3C自动化设备,锂电池注液,点胶机,机器人,医药灌装和封装,太阳能硅片的制绒碱抛设备以及半导体加工设备等领域,提供可替代进口和非标定制的称重/测力传感器。
值得一提的是,沃力测控获得国内知名压力传感器企业——南京沃天科技有限公司的投资,是南京沃天成员企业,据天眼查数据显示,南京沃天持有沃力测控51%股份。
孙松介绍,沃力测控前期将以3C制造、以及高精度微小力传感器及相应模组为突破点,解决国产“卡脖子”难题,通过高精度微小力传感器提高中国生产制造设备的精度、稳定性。在过往,中国高精度微小力测量传感器几乎都需要进口,被瑞士梅特勒-托利多(METTLER TOLEDO)、德国赛多利斯Sartorius、日本A&D艾安得等高端精密仪器&传感器企业垄断。
微小力测量传感器是一类应用于微观力量测量的高精度传感器,采用先进的微加工技术和精密的电路设计,能够实现对微小力的准确测量,包括但不限于应变片技术、电容式技术和电阻应变片技术等。
微小测力传感器能够通过测量微小形变、电容变化或电阻变化等方式,将力的变化转换为电信号输出,从而实现对力的精确测量。与普通测力传感器相比,微小力传感器具有小巧轻便、结构紧凑、精度高、灵敏度高等特点,被广泛应用于各种场合,如先进制造、航空航天、医疗器械等 ,此外,微小力的精确测量对很多学科的前沿探索有很大的推动作用。
孙松称,在目前中国制造的许多领域,微小力测量传感器几乎100%依赖于进口,在1mg微小力测量领域,沃力测控在国内没有对手,全球范围内对标赛多利斯、梅特勒等顶尖传感器企业。
“微小测量这个领域非常不好干,充满了艰辛和困难。从材料、热处理、贴片工艺、膜片等等各环节都有非常多的技术难点需要攻破,后期的信号处理、技术方案等也同样重要,目前的话在国内,沃力测控在这方面取得了一个比较好的突破。在1mg领域国内我们是没有对手的,全球范围内,我们对标的是赛多利斯和梅特勒。”
微小测力传感器用在哪里?取得哪些技术突破?中国新兴产业亟需!庞大下游工业市场,为国产传感器企业创造研发沃土!
前文提及,微小测力传感器在先进制造、航空航天、医疗器械等领域应用广泛,目前,随着中国新兴先进制造领域的崛起,微小测力传感器在中国新能源、半导体制造、3C制造、医疗等领域正呈现爆发式增长需求。
孙松强调,中国是全球制造业强国,拥有其他国家和地区无法比拟的全产业链,这为中国企业研发提供了研发创造的沃土,其中,新能源电池制造过程的注液工艺检测传感器,成为宁德时代、比亚迪等众多国产厂商亟需的传感器技术。
锂电池电解液作用就是正负极之间导通离子,担当充放电的介质,就如的血液。如何让电解液充分而均匀的浸润到锂电池内部,成为重要的课题。注液作为锂离子电池制程中的一道关键工序,注液效果的好坏不但影响电池性能,并且也会制约生产效率。
“在新能源电池的注液工艺,是我们一个追逐的重点,我们解决了国外产品对这个行业的封锁,同时我们在这基础之上,在许多指标,譬如动态响应等,我们又比国外的品牌好,整个降低了我们这个电池生产制造行业的成本。因为我们的传感器比国外的要便宜。同时我们在性能上又提高了,这就是我们紧盯着国家的热点行业来做出的一些方面的突破。”
此外,孙松特别提到,因为中国发达、先进的制造业,处于中国的传感器等零部件企业将比国外同行面临更多的市场机会,这需要中国传感器企业更具有创新精神,孙松认为这也是沃力测控技术上的优势——擅长做非标,进行技术创新和基础研发。
“有很多新的东西是连国外的一些同行都没有接触过,比如说我们之前接触过宁德时代,它在做电池的时候有个叫热压工艺,其中需要电池在60度左右的恒温下承受六吨的压力。以前宁德时代没有通过传感器来把控这个工艺点,所以导致了电池不良率较高,比如说能量密度达不到,这个国外都没有应用的案例,这需要我们研发全新的微小测力传感器去检测,这就是中国的制造业走到了前列,它所带来的一些新的应用、新的场景。这就需要我们的传感器必须有强大的创新力。”
据孙松介绍,这个用于电池注液检测的传感器是一个1mg微小量程的称重传感器,使用的金属应变片的技术路线,这基于该团队在德国HBM公司积累的丰富的研发经验,但同时在这个基础上做出了创新——原德国HBM公司都做不出1mg的高精度称重传感器,沃力测控研发团队通过自己的研发努力,突破了原HBM公司在微小量程里的瓶颈。
作为比较,微小量程称重传感器行业领先者瑞士瑞士梅特勒-托利多(METTLER TOLEDO)采用电磁力平衡的技术路线,孙松认为沃力测控的新技术路线相比竞争对手更有优势:
“我们不走电磁力平衡的技术路线,电磁力平衡有它的优势,它的测量的分辨率可以更高,但是它有个致命的缺陷,就是它的响应速度比较慢。这在于工业生产当中,比如说我注液或者称药片,一个药片2毫克,那我一瓶药需要100片,那就是200毫克。如果说我每称一片药,我要花几秒钟的时间去稳定,那么肯定会影响到生产的效率。
我们走的这个金属应变片的技术方案,优势是响应时间非常的短。短就意味着什么?能够在单位时间里面给企业带来更多的生产效率,所以这一点是为什么我们去走一条自己自主研发的道路,并不是我们为了走原创而做原创,因为它解决了实际问题。”
这里,可以看到,与一般从实验室走出来的传感器企业家不同,沃力测控并没有执着于自主研发,而是深入了解产品应用场景,从实际生产效率方面着手,去做最适合市场的传感器产品和解决方案——这也是目前许多传感器企业缺乏的能力。
作为一家初创企业,微小力测量将是沃力测控未来一两年内的主要技术方向,并通过这一传感器技术的突破和创新,解决中国人在微小力测量领域被卡脖子的现象。
孙松介绍,当前,中国主要从事电池注液新能源企业,包括海目星、欣旺达、无锡先导等行业领先公司,目前所使用的微小测力传感器基本都是进口的,并且这些企业正在急迫寻找国产替代的产品。
“由于地缘的影响,可能到后面来讲,卡脖子的现象会越来越大,这会导致货期延长成本增加,这都会影响到中国新能源产业的发展,而新能源被国家确认为重要的新兴战略产业。”
晶圆(Wafer)是半导体晶体圆形片的简称,其为圆柱状半导体晶体的薄切片,用于集成电路制程中作为载体基片,以及制造太阳能电池;由于其形状为圆形,故称为晶圆。最常见的是硅晶圆,另有氮化镓晶圆、碳化硅晶圆等;一般晶圆产量多为单晶硅圆片。
半导体制造企业,例如英特尔、台积电和中芯国际等工厂通常不生产晶圆,只是晶圆的搬运工,都是从Wafer供应商那里直接购买。
孙松介绍,在晶圆片生产过程中, 有一个关键工艺——制绒碱抛工艺,该工艺主要处理晶圆片上微不可查的划痕,这些细微划痕会影响太阳能板的发光效率以及芯片的良率。
制绒碱抛工艺的常用方法,是通过化学抛光,将晶圆片放入碱水池中进行抛光。那么怎么检测抛光过程是否结束?是否符合要求?这就需要靠称重,需要用到高精度的微小测力传感器。
“比如说一个太阳能的硅板,它可能是15公斤,那么它减少0.1克或0.4克左右。那他会认为,我这个碱抛过程已经完成了,它是靠微小重量,精准的重量控制,能知道这个工艺是否结束。”
当前,国内的半导体装备龙头企业,如苏州迈为科技等,正在寻求相关高精度传感器的国产替代产品。中国日益崛起的半导体制造产业链,将带来庞大的高端传感器国产化需求。
从上文中,我们知道电池注液、晶圆片称重等工艺,带来庞大的微小测力传感器需求,这些工艺分别属于新能源、半导体芯片等先进制造产业。
除新能源、半导体芯片等行业中的应用外,孙松还介绍了高精度微小测力传感器在3C制造、医疗器械中的热点应用。
3C主要指计算机、通信、消费类电子产品,目前随着这些电子产品的高度集成化,以往许多连接结构——螺丝、卡扣等,逐渐取消,取而代之的是用胶水进行粘接。粘接过程中,通过对胶水进行定量来控制粘接的程度,这个胶水定量测量主要通过称重传感器完成。
在医疗行业中,对药片数量的控制,目前也主要通过微小称重的形式来完成,这也是目前实际生产。
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