心痛！何時能有國產傳感器芯？！來自從業(yè)30年老傳感器人的吶喊

本文作者馬向宇來自寶雞傳感器研究所，他從上世紀90年代初開始參與國產壓力傳感器的生產研發(fā)工作，寶雞傳感器研究所是我國最早從事擴散硅壓力傳感器研究的單位之一。

文中，主要聚焦于壓力傳感器領域（尤其是擴散硅壓力傳感器），從作者30年來的工作經歷，窺視我國傳感器產業(yè)發(fā)展的沉浮，其中的幾個主要觀點可以概括為：1、早期國產傳感器憑借壟斷帶來的高利潤，勉強發(fā)展，但進展緩慢；2、改革開放后，“造不如買”思想盛行，許多傳感器公司淪為“封裝”企業(yè)，購買國外傳感器芯片封裝銷售，純國產傳感器芯片產線幾無幸存；3、國產壓力傳感器廠商缺乏核心技術，而低價競爭卻愈演愈烈；4、軍工高品質壓力傳感器進口比例極高，國產壓力晶圓僅能用于低端產品，國產化舉步維艱……

最后，作者發(fā)出“中國壓力傳感器呼喚完全屬于中國人的中國‘芯’”的吶喊：業(yè)未竟，鬢已秋，何忍夙愿付諸東流！

這些塵封的國產傳感器歷史值得我們了解。

1、中國人的中國芯

我所供職的壓力傳感器研究所是擴散硅壓力傳感器專業(yè)化研究所，成立于七十年代初期，座落在秦嶺腳下的西北工業(yè)重鎮(zhèn)寶雞市。是我國最早擴散硅壓力傳感器專業(yè)化研究所之一。所以文中所敘的壓力傳感器都是特指擴散硅壓力傳感器，為了方便敘述統(tǒng)稱為壓力傳感器。

圖一：自行研發(fā)于一九七三年的CYG01壓力芯片，直徑約11mm。

圖二:CYG01背面的磨硅杯。硅杯的深度決定感壓膜面的厚度和輸出信號大小。
圖三：用于CYG01芯片封裝的不銹鋼壓力殼體
圖四：生產于八十年代初的CYG01壓力傳感器

七十年代直至九十年代初期，壓力傳感器技術無疑是名符其實的高科技技術，復雜的工藝流程和要求使得民營企業(yè)多年不能涉足這一行業(yè)，芯片生產我們俗稱的前工序最為復雜。 當時國內能夠生產壓力傳感器的企業(yè)只有屈指可數的幾家。行業(yè)內較為有名的還有沈陽的沈*所，陜西**微電子公司等，產品大多服務于軍工及科研院所。 那時候沒有衛(wèi)星發(fā)射公司，發(fā)射衛(wèi)星都是由國防科工委牽頭部隊來搞，因為在東方紅衛(wèi)星發(fā)射工作中的杰出貢獻(注意：只是參與，以當時的水平根本不可能隨著衛(wèi)星上天）曾受到國防科工委的通令嘉獎。八十年代時任國家電子部部長的***部長和習仲勛委員長曾到這里考察指導工作。 2、晶圓級壓力傳感器芯片出現，國產化生存受到嚴重威脅 八十年代末期，我們的一位所長還在美國的一家有名的壓力傳感器企業(yè)“考察”過，說是考察實際上是利用在這家企業(yè)供職的某華人二代關系，掏了若干美刀利用下班時間和機會在人家的生產線上匆匆的走了一圈。 畢竟內行看門道，他回來就召集我們宣布說國外的生產流程和我們基本相同，只是效率可能有所差距，例如我們的磨杯機是單頭的一次只能磨一片，而人家的是多頭的，一次可以磨很多片。至于差距我們可能在材料和工藝精度控制及凈化程度上有所落后。例如他看到人家的多頭磨杯機可能與電腦相連接。由于只能是透窗觀望，具體細節(jié)無法了解。 然而好景不長，僅僅過了有兩年多時間，各種信息都明確的告訴我們大的挑戰(zhàn)來了，國外生產出了晶圓片，而且被成功的用于壓力傳感器的制作。 這種用于壓力傳感器生產的晶圓每個單元晶片面積僅2mm見方，每一個大片上約上百個單元芯片。而我們的壓力芯片是一個一個生產出來的，無論從生產效率和生產工藝及凈化控制都和晶圓的生產方式無法相比，且由晶圓芯片所封裝的壓力芯體方便實用，國產化生存受到嚴重威脅。3、一次悲壯的突圍經歷 晶圓生產我們所面臨的第一個難題就是缺少能夠滿足需要的***。當時我們用是的上海生產的國產化***，遠遠不能滿足晶圓生產的需要。 經多方申請后，國家在“八五”計劃中劃撥出若干資金用于購買相關設備。這不是一次簡單的購買過程，由于***嚴禁對華出售，所以國家花了很大的精力，終于購回了一臺能夠滿足需要的***。 遺憾的是由于當時的客觀原因，只能通過一定的渠道秘密購回散件自行組裝，為了這臺***應該是很多部門都付出了很大的努力，有些情況我不可能了解也不便了解，也正是這樣的原因致使這臺悄然來去的***連一張照片都沒有留下。 ***為半自動化電腦控制的雙面***，沒有任何能夠表明身份的銘牌及標識。我只是在連接顯微鏡的光纖上發(fā)現了清晰的日文字樣。 當時合作的單位主要有三方：東道主是我們 ，還有一方是我們敬若上賓的甘肅平涼一家軍工單位，這家單位以裝配水平在國內首屈一指，另外就是相關專業(yè)的幾所大學的老師和教授。我們接觸最多的是交大半導體專業(yè)的張教授和西安電子科技大學（當時的西軍電）微電子所的朱教授和李老師。

遺憾的是，這臺***因為機械臂行程重復性差異過大無法正常工作，平涼單位始終無法解決，經多方申請，直到半年之后，一位來自某國防大學的女研究生來到這里，經反驗證后得出結論：設備軟件和原裝產品無異，國外原裝產品沒有類似問題出現，問題肯定是出在裝配環(huán)節(jié)上。***計劃徹底流產，雙方單位的巨大付出都因此而付諸東流。我曾有一篇文章專門對這一經歷作過詳細的描述。這里不作贅言（可參看《鮮為人知的歷史，80年代國產壓力傳感器的艱難突圍》） 4、造不如買，關于壓力傳感器合資公司 首先由于***的原因，國產化晶圓顯然短期內無法完成，當時“造不如買”的意識盛行。隨著改革開放的步伐逐漸加大，國內精細化控制的要求越來越廣泛，對于我國來說切實可行的辦法，無疑是從國外購進高質量芯片進行封裝。實際上我國最早的壓力傳感器合資公司的實質就是這樣。合資目標是最初定為同為社會主義國家的南斯拉夫，可惜不久這個國家就陷入了分裂的戰(zhàn)亂中，之后又選擇了美國的一家公司。 時值中美關系正處于改開之后的蜜月期，國家不但大力支持且有一定的優(yōu)惠政策，雙方一拍即合。籌建工作也緊鑼密鼓的進行著。于是中國擴散硅壓力傳感器的龍頭企業(yè)*克傳感器有限公司就這樣誕生了。 合資公司對于當時的國人來說還是比較新奇事物。傳說工資比較高。但要累死人。資本主義管理方式。當時國家鼓勵合資企業(yè)，在各個方面都有政策性的優(yōu)惠和支持，所以進展很順利。 在抽調人選時部門的很多年青人都躍躍欲試。但研究所幾乎沒有一個人被抽調，當時有一個盛行的說法是研究所要并入合資公司。有技術積淀的研究所被并入似乎也是順理成章的事。更能佐證這個說法的是我們所的*姓所長——一個純技術人員竟列席為*克公司的董事行列。這讓很多年青人都感到興奮，摩拳擦掌的等待水到渠成的結果。 但后來事態(tài)的發(fā)展遠遠超出了設想范圍，研究所不但沒有并入且*所長的董事位置也被拿下了。 據知情人透漏。問題就是出在理念差異上。當時*克公司成立初期就決定要從國外購進高質量壓力芯片生產芯體。單位為打造購買渠道也付出了很大的努力。但作為純技術出身的*所長充分發(fā)揮文人意氣，不顧全場的反對，竭力主張自主生產壓力芯片，且拿出舌戰(zhàn)群雄的氣概執(zhí)拗到底，最終被體面的掃地出門——從此不再收到過董事會議的邀請通知。 當時所里很多年青人為此而憤憤不平，暗自說某姓所長是名符其實的攪事棍子，成事不足敗事有余，成功的砸了所里的美好前程。后來所里依然有很多的年青人以各種方式進入*克公司并成為該公司的中堅力量。 若干年后和當時的同事冷靜的回想當年，所謂的對錯之分根本不存在。站在*所長的角度自然也有他的道理， 于公來說我們這個所以前工序見長，不作芯片我們的優(yōu)勢根體無法發(fā)揮。于私來說，所長名牌大學的辦導體專業(yè)出身，且大半生都投身于壓力芯片制作，如果單純的搞來料封裝又何來他的用武之地呢？ 事實證明，作為一個企業(yè)*克所選擇的道路是正確的，迄今為止，*克傳感器有限公司年產值已高達約三億元左右。穩(wěn)坐中國擴散硅壓力傳感器企業(yè)NO.1的位置。該公司利用美國和德國生產的高質量壓力芯片封裝生產的M*M系列壓力芯體以其良好的質量成為高質量國產化壓力芯體的代表。 在無法成為巨人時，那就站在巨人的身上來拔高自己也不失是一種好辦法。

我們再來說國產化芯片發(fā)展問題，這是整個國家的問題，肯定不是一個公司所要考慮的，或者說能考慮的。國家在“八五”“九五”之后這方面幾乎沒有作任何的布局和投入，***事件成為失敗的收官之作，九十年代初投入百萬元之巨以完全失敗而告終，這種風險作為一家自負盈虧的公司是無法承擔的，也根本承擔不起。 2002年，我在火車上和中科院材料所的一位老院士因臥鋪相鄰而有幸相識，說起了我們的壓力傳感器產業(yè)，說起了那臺***，老院士說，首先我們的硅材料質量和國外就有很大差距，即使有適用的***想要制造出質量相仿的產品幾乎不可能。這條路顯然荊棘密布坎坷不平。 5、一脈留存 九十年代末期，壓力芯體產業(yè)逐漸形成規(guī)模，得到市場的充分認可，我們那條看似很土的國產化生產線終于退出了歷史的舞臺。 在得到我們要處理設備的消息后，長期合作的某高校辦導體專業(yè)的一位的教授找到了我們，想購買一些設備作為校辦工廠供學生實習使用，也可以適當的為我們投片進行生產，就這樣CYG30和CYG15芯片的生產得以延續(xù)。 后來由于政策原因校辦工廠被取締，只好有些工序委托加工，總之這條生產線存活的相當不易。就這樣的一脈存留為我們高頻動態(tài)類壓力傳感器生產提供了良好的保障，使我們的這一產品市場沒有徹底丟失。

CYG30和CYG15是我們70年代初自行研發(fā)的壓力傳感器芯片，石英玻璃環(huán)封接，可用于高頻動態(tài)壓力傳感器的生產。高頻動態(tài)壓力傳感器廣泛的應用于爆炸測試及模擬水工實驗等工況。國外類似產品價格約7000-20000元，國產化產品僅為國外產品的1/4 -1/3。

▲八十年代初，使用國產化CYG30芯片生產的CYG146型高頻動態(tài)壓力傳感器

▲自主研發(fā)的CYG30，CYG15芯片 6、國產化壓力傳感器基礎產業(yè)土崩瓦解的原因分析 繼九十年代中期我們的國產化線下馬以后，再也沒有純國產化生產線的消息。近年來才有消息說東北某所還有一條自產芯片的生產線，至于進口設備的參與程度不得而知。仔細分析這也是一個必然的結果。究其原因有以下幾點：一. 隨著改革開放的逐漸深入，我們原有的壟斷被打破，產品的劣勢盡顯。當年我們生產用的去粒子水的成本高于牛奶，強大的壟斷市場及高額利潤遠遠能夠保證企業(yè)的運行。但這樣的產品顯然缺乏任何的市場競爭能力。二. 生產工藝水平及產品落后，不符合現代化生產的要求，晶圓生產工藝無法突破，生產效率低下，質量無法得到保證。在凈化車間***高壓汞燈的強光照射下，能夠清楚的看到空氣中彌布的飛舞纖塵。當時國外著名壓傳公司已逐漸向超凈化無人車間邁進。例如瑞士的keller。半導體行業(yè)的凈化程度對產品質量的影響不言而喻，芯片質量的差距可想而知。 三. 產品操作復雜，不利于規(guī)?；a。當時的成品***組裝成一只合格的壓力傳感器在我們這里稱作裝配工序。裝配工序的學徒期為三年，所以說要培養(yǎng)一位合格的裝配工最起碼要兩年至三年時間。我是有過這樣的學徒經歷的。

▲金絲焊接點實物圖

首先對于毫無烙鐵焊接基礎的人來說，把導電金絲和線路板焊接起來就是需要長期練習的一項技能。芯片上用于導電的金絲直徑僅0.08毫米，和人的頭發(fā)直徑基本相當，金絲和焊錫在高溫下會形成金錫合金，焊接時間長了金絲會熔斷，焊接時間短了會形成虛焊。 芯片的密封形式基本上采用膠連和橡膠“O”形圈，膠接厚度和“O”形圈形變的程度都對產品性能產生影響，人為的成份很大，再加上標定測試等其它技能的培養(yǎng)，所定的三年的學徒期不是憑空而來。 這對于現代化企業(yè)來說是無法想象的。然而高度集成的壓力芯體將芯片集成到芯體里，不銹鋼隔離膜片成功的將壓力介質和芯片完美隔離，介質的適應性更廣。普通導線出線方式方便連接，完全可以作到三月之內就能培養(yǎng)出一位合格的裝配工。生產效率方面有著有天壤之別，能夠有效的降低生產成本。 四. 沒有建立良好的競爭機制，無競爭意識，產品質量及換代停滯不前。從七十年代初企業(yè)組建一直到九十年代中期，國產化芯片無論是從產品質量上和生產工藝上都沒有大的提高和改進。 再加上繁雜的生產工藝流程除了國家定點的生產單位外幾乎沒有私企能夠介入這個行業(yè)。技術壟斷多年，由于生產廠家太少以致于很多時候產品供不應求。當時單位小小的招待所經常被外地而來的采購員住的滿滿當當，好像產品就沒有愁賣的時候，利潤也相當可觀。質量意識淡漠，缺乏對市場的培養(yǎng)和維護意識。

▲方便實用的壓力傳感器芯體 7、高質量國產化芯片缺失的影響一. 核心技術完全依賴進口的產業(yè)經不起任何的制裁 曾有一篇儀表專業(yè)化平臺刊出一篇文章指出，中國壓力傳感器生產企業(yè)所用的芯片95%來自于國外進口。換句話說如果國外對我們的壓力芯片進行制裁的話國內95%的相關企業(yè)都要倒閉。華為就是個典型的例子。 不光是壓力芯片，簡稱IC的高質量集成放大線路價格杠桿也牢牢的把握在在他人的手中。例如我們用到的一款車規(guī)級放大IC，22年七月分報價為二十多元，23年的2月份供應商的報價不約而同的漲到了近二百元，漲幅達七至八倍，原因是受到了出口限制。

二. 缺乏高端市場競爭力，本土企業(yè)形成激烈的惡性競爭 芯體的普及使用是原本復雜的工藝簡單化，大大的降低了進入這一行業(yè)的門檻高度，壓力傳感器生產企業(yè)的數量呈井噴式的遞增。據不完全統(tǒng)計國內壓力傳感器生產企業(yè)近二千家。然而不難發(fā)現，這些企業(yè)的產品大多屬于中低端產品。供大于求的市場使得產品價格沒有最低只有更低。 而高端產品市場基本上被國外知名企業(yè)有條不紊的瓜分。如日本的橫河EJA以其良好的表現牢牢的控制了工業(yè)現場需求，美國的 Rosemount優(yōu)良的抗電磁干擾能力使其在電力行業(yè)獨領風騷若干年……… 不但瓜分，且瓜分的很有水準，很大程度的避免了競爭而保證利潤的最大化。而縱觀國產化市場，本土企業(yè)在中低端市場爭的頭破血流，這幾年更是有愈演愈烈之勢。價格更是沒有最低，只有更低！為了爭奪市場而突破了價格底限的產品何言質量保障？
三. 軍品國產化進程舉步維艱我國軍工方面所需的高品質壓力傳感器進口比例極高。一方面我們的國產化壓力傳感器和國際先進水平有一定的差距，無法滿足軍事工業(yè)高精尖的要求，還有一個重要的方面是受到了“造不如買”的思潮導引，有位偉大的領袖曾說過“帝國主義亡我之心不死！”，性格不和的夫妻都會離婚，何況是意識形態(tài)完全不同的國家。 隨著世界形勢的風云變幻，近年來西方一些國家組團對我國軍事工業(yè)進行明目張膽的打壓，不斷的叫囂著“脫鉤”。一些和軍工技術相關的產品及設備紛紛被列入禁止對華出口名單。甚至在一些可能用于軍工需求的重要設備上加裝了高精度定位系統(tǒng)。對我們來說這是非常危險的。

國家也意識到了這個問題，提出了軍品國產化的目標，然而對于舒舒服服購買了幾十年的我們談何容易。代表壓力傳感器核心技術的壓力芯片我們都沒有實現國產化，如何替代？ 更談不上超越。曾經有一些企業(yè)也生產出了壓力晶圓，但其質量與性能和國外同類產品相比還是有很大差距，僅能用于低端產品。一方面是軍品國產化的迫切需求，一方面是我們面對現實的無奈嘆息。我們注定要為自己所走的取巧捷徑而買單。 8、芯痛，心痛！ 現實告訴我們，靠誰都不如靠己。例如制造出全世界最高水平***的瑞士ASML，所代表的并不是瑞士的科技水平，而是世界先進水平的集成。這里有美國的技術，有德國的技術……但復雜的國際環(huán)境決定我們若干年內都不可能融入這個圈子，中國更需要獨立自主的精神。更需要“那怕雄關真如鐵，不懼邁步從頭越”的勇氣與精神。 從九十年代至今已經發(fā)展了近三十年，壓力芯片制造技術不再是一個難以突破的技術，它不該像一個不被待見的棄兒一樣無人問津。畢竟我們還在依賴大量的進口，這個產業(yè)的核心技術為外企所把持，就如同神五神六都上天了卻敗在了一個小小的原珠筆球珠上的尷尬一樣。 前輩們都年已古稀，我于九十年代初進入這個方興未艾的行業(yè)，那時的我風華正茂，打算用一生去陪伴著我們的中國壓力“芯”而成長，如今我已兩鬢染霜。業(yè)未竟，鬢已秋，何忍夙愿付諸東流！ 中國壓力傳感器呼喚完全屬于中國人的中國“芯”。 擴散硅壓力傳感器專業(yè)所，所以眼界窄水平低，如有謬誤之處，還望各位同行多多包諒！ 您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網公眾號本內容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區(qū)：傳感交流圈中進行交流。

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審核編輯黃宇