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    半導體、晶圓、光刻、芯片、集成電路概念應用

    Category : 行業新聞     Date : 14/06/2022

    先從半導體開始,半導體是導電性介于導體(金屬)與絕緣體(石頭)之間的物質,包括硅、鍺。由于硅有較大的縫隙能摻雜雜質,可用來制造重要的半導體電子元件—晶體管,晶體管的主要功能有放大信號、開關,晶體管就像數據訊號的收音機,收音機的原理是將微弱的訊號放大,用喇叭放出來,而晶體管能將訊號的電流放大,讓電流以特定方式通過。

    數億個晶體管裝在一張長寬約半公分大的芯片上,這片芯片就是大家耳熟能詳的『集成電路』,俗稱 IC(Integrated Circuit),所以,芯片是集成電路的簡稱,也可以說是載體。

    以下本文將分成四大部分:

    · 半導體制程:4 大步驟

    · 集成電路分類:功能區分 4 大類

    · 半導體產業鏈營運模式:各種模式的利與弊

    · 半導體運用領域:未來應用 6 大領域

     

     

     

    半導體制程:4 大步驟

    1. IC 設計:

    預先規劃芯片的功能,功能包含算術邏輯、記憶功能、 浮點運算、 數據傳輸,各功能分布在芯片上各區域,并制作所需的電子元件,工程師使用硬件描述語言(HDL)設計電路圖,在將 HDL 程序碼放入自動化電子設計工具(EDA Tool),計算機把程序碼轉換成電路圖。

    2. 晶圓制造:

    將硅純化、溶解成液態,從中拉成柱狀的硅晶柱,上面有一格一格的硅晶格,將晶體管放置在硅晶格上,硅晶格的排列是安裝電子元件的重要關鍵,硅晶柱拉起的速度、溫度影響硅晶柱的質量,尺寸越大,技術難度就越高,12 吋晶圓廠也相對 8 吋晶圓廠制程更加先進,制程是技術,但良率才是最關鍵 Know-how,晶圓廠使用鉆石刀將整條硅晶柱切成薄片,經過拋光后就變成『晶圓』,也就是芯片的機板,灰塵對這些晶圓造成嚴重的威脅,故制造人員進入無塵室之前,皆需穿戴防塵衣、清洗身體采去預防措施,晶圓制造比手術室干凈十萬倍。

    3. 光刻制作(光罩)

    一大張電路設計圖,縮小并壓印到硅晶圓上,靠的就是光學原理。

    IC 設計圖以電子束刻在石英片上,成為光罩,將光罩上的設計圖縮小至晶圓上,與洗相片原理相同,『光罩』如同照相底片,而『晶圓』就像照片紙,預先將晶圓涂上一層光阻(相片感光材料),透過紫外光照射與凸透鏡聚光效果,將光罩上的電路結構縮小并烙印在晶圓上,光罩上圖形的細致度是影響芯片質量的關鍵。

    光刻制程結束后,工程師在晶圓上加入離子,透過注入雜質到硅的結構中控制導電性與一連串的物理過程,制造出晶體管。 待晶圓上的晶體管、二極管等電子元件制作完成后,將銅倒入凹槽中形成精密的接線,使許多的晶體管連起來。

    4. 封裝與測試:

    晶圓完成后送到封裝廠,會切割成一片一片的裸晶,由于裸晶小而薄,非常容易刮傷,故將裸晶安裝在導線架上,外面裝上絕緣的塑膠體或陶瓷外殼,印上委托制造公司的標志,最后進行芯片測試,將不良品挑出,芯片就此完成。

     

    集成電路(IC)分類:功能區分 4 大類

    1. 存儲器 IC:

    主要是用來儲存資料的原件,

    通常用于計算機、電視游樂器、電子辭典等等。象是 DRAM、SRAM、NAND Flash 皆屬于存儲器 IC。

    2. 邏輯 IC:

    主要是處理數位訊號(0 與 1)為主,產品包含中央處理器(CPU)、微處理器(MPU)、圖形處理器(GPU)。

    3. 微元件 IC:

    主要的功能在于負責 CPU 的周邊設備以及其它零部件的溝通任務,擅長處理復雜的邏輯運算,以數位或文字資料為主。

    4. 類比IC:

    主要處理有關類比信號的 IC,因能耐高壓、耐大電流,所以主要運用在電源供應器、數位類比轉換器等,半導體產業鏈營運模式:各種模式的利與弊,早期半導體公司多是從 IC 設計、制造、封裝、測試一手包辦,由于摩爾定律的關系,芯片設計日趨復雜、花費也越來越高,單獨一家半導體公司無法負荷從上游到下游的高額研發、制作費用,到了 1980 年末期,半導體產業逐漸走向專業分工模式,創造更大的利潤和提升產品穩定性。

    ※摩爾定律:
    Intel 創始人之一 Gordon Earle Moore 提出,集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。

     

    依業務性質半導體行業主要分為以下 4 種經營模式:

    1. 整合制造商(IDM) 模式:

    集結芯片設計、制造、封裝、測試、銷售等多個產業鏈環節,需要雄厚的營運資本才能支撐此營運模式,故目前僅有少數大廠能維持。

    優勢:a.在設計、制造等環節最優化 b.可先實驗并推行新技術

    劣勢:營運成本高

    代表:Samsung、Intel

    2. 代工廠(Foundry) 模式:

    只需負責制造、封裝、測試其中環節,可以同時為多家設計廠商服務,但受限于供應商的競爭,需特別留意客戶機密技術外泄情形,代工廠的主要競爭力來自于規?;a、生產管控。

    優勢:a.不承擔設計電路、商品銷售等風險 b.獲利相對穩定

    劣勢:a.仰賴實體資產,資金需求大 b.需大量資本維持工藝水平

    代表:臺積電、聯電、日月光、矽品

    3. 無廠 IC 設計商(Fabless)模式:

    只負責芯片電路設計、銷售,將生產、封裝、測試外包,起初資金規模不大,進入門檻相對低。

    優勢:a.無龐大實體資產,創始規模小 b.企業運行費用低

    劣勢:a.無法做到上下游整合 b.需進行品牌塑造,并承擔銷售風險

    代表:高通、聯發科

    4. 芯片設計服務提供商(Design Service)模式:

    為芯片設計公司提供相對應工具、電路設計架構、咨詢服務等,不設計、銷售芯片,而是販售智慧財產權—設計圖,又稱硅智財(SIP)。

    優勢:a.無龐大實體資產、規模較小 b.不必負擔銷售風險

    劣勢:a.容易形成壟斷 b.技術門檻高,累計技術時間長

    代表:ARM、新思科技、Imagination

    半導體運用領域:未來應用 6 大領域

    根據國際半導體產業協會說法,半導體未來主要運用在智慧運輸、智慧醫療、智慧數據、智慧制造、綠色制造和先進制造。而運輸、工業制造是最主要的兩大動能。智慧車輛駕駛輔助安全系統等級越來越高,藉由后端 AI 芯片運算,從接收感測訊號,經由運算分析,再傳達至車輛動力系統,可完成安全回避和抵達目的地的需求,實現全自動化駕駛愿景。工業制造從數字化演進成全自動生產,引入物聯網系統到生產管理系統中,推動工業智慧制造新時代,帶動整體半導體市場需求。

    在未來 5G、AI 與半導體產業息息相關,5G 時代來臨帶動整個半導體周邊商品,如 5G 智能型手機市場需求近 2 億臺,將帶起另一波換機潮,而 AI 智能需透過大量運算效能,使晶圓技術需不斷推陳出新,以適應科技變化快速,未來半導體產業有望另創高峰。

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