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半导体、晶圆、光刻、芯片、集成电路概念应用

浏览次数:日期:2021-11-02 13:47:29

先从半导体开始,半导体是导电性介于导体(金属)与绝缘体(石头)之间的物质,包括硅、锗。由于硅有较大的缝隙能掺杂杂质,可用来制造重要的半导体电子元件—晶体管,晶体管的主要功能有放大信号、开关,晶体管就像数据讯号的收音机,收音机的原理是将微弱的讯号放大,用喇叭放出来,而晶体管能将讯号的电流放大,让电流以特定方式通过。
数亿个晶体管装在一张长宽约半公分大的芯片上,这片芯片就是大家耳熟能详的『集成电路』,俗称 IC(Integrated Circuit),所以,芯片是集成电路的简称,也可以说是载体。
以下本文将分成四大部分:
· 半导体制程:4 大步骤
· 集成电路分类:功能区分 4 大类
· 半导体产业链营运模式:各种模式的利与弊
· 半导体运用领域:未来应用 6 大领域


半导体制程:4 大步骤

                                  
1. IC 设计:

预先规划芯片的功能,功能包含算术逻辑、记忆功能、 浮点运算、 数据传输,各功能分布在芯片上各区域,并制作所需的电子元件,工程师使用硬件描述语言(HDL)设计电路图,在将 HDL 程序码放入自动化电子设计工具(EDA Tool),计算机把程序码转换成电路图。

2. 晶圆制造:

将硅纯化、溶解成液态,从中拉成柱状的硅晶柱,上面有一格一格的硅晶格,将晶体管放置在硅晶格上,硅晶格的排列是安装电子元件的重要关键,硅晶柱拉起的速度、温度影响硅晶柱的质量,尺寸越大,技术难度就越高,12 吋晶圆厂也相对 8 吋晶圆厂制程更加先进,制程是技术,但良率才是最关键 Know-how,晶圆厂使用钻石刀将整条硅晶柱切成薄片,经过抛光后就变成『晶圆』,也就是芯片的机板,灰尘对这些晶圆造成严重的威胁,故制造人员进入无尘室之前,皆需穿戴防尘衣、清洗身体采去预防措施,晶圆制造比手术室干净十万倍。

3. 光刻制作(光罩)

一大张电路设计图,缩小并压印到硅晶圆上,靠的就是光学原理。
IC 设计图以电子束刻在石英片上,成为光罩,将光罩上的设计图缩小至晶圆上,与洗相片原理相同,『光罩』如同照相底片,而『晶圆』就像照片纸,预先将晶圆涂上一层光阻(相片感光材料),透过紫外光照射与凸透镜聚光效果,将光罩上的电路结构缩小并烙印在晶圆上,光罩上图形的细致度是影响芯片质量的关键。
光刻制程结束后,工程师在晶圆上加入离子,透过注入杂质到硅的结构中控制导电性与一连串的物理过程,制造出晶体管。 待晶圆上的晶体管、二极管等电子元件制作完成后,将铜倒入凹槽中形成精密的接线,使许多的晶体管连起来。

4. 封装与测试:

晶圆完成后送到封装厂,会切割成一片一片的裸晶,由于裸晶小而薄,非常容易刮伤,故将裸晶安装在导线架上,外面装上绝缘的塑胶体或陶瓷外壳,印上委托制造公司的标志,最后进行芯片测试,将不良品挑出,芯片就此完成。

 

集成电路(IC)分类:功能区分 4 大类

1. 存储器 IC:

主要是用来储存资料的原件,
通常用于计算机、电视游乐器、电子辞典等等。象是 DRAM、SRAM、NAND Flash 皆属于存储器 IC。

2. 逻辑 IC:

主要是处理数位讯号(0 与 1)为主,产品包含中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、图形处理器(GPU)。

3. 微元件 IC:

主要的功能在于负责 CPU 的周边设备以及其它零部件的沟通任务,擅长处理复杂的逻辑运算,以数位或文字资料为主。

4. 类比IC:

主要处理有关类比信号的 IC,因能耐高压、耐大电流,所以主要运用在电源供应器、数位类比转换器等,半导体产业链营运模式:各种模式的利与弊,早期半导体公司多是从 IC 设计、制造、封装、测试一手包办,由于摩尔定律的关系,芯片设计日趋复杂、花费也越来越高,单独一家半导体公司无法负荷从上游到下游的高额研发、制作费用,到了 1980 年末期,半导体产业逐渐走向专业分工模式,创造更大的利润和提升产品稳定性。

摩尔定律:
由 Intel 创始人之一 Gordon Earle Moore 提出,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

 


依业务性质半导体行业主要分为以下 4 种经营模式
1. 整合制造商(IDM) 模式:

集结芯片设计、制造、封装、测试、销售等多个产业链环节,需要雄厚的营运资本才能支撑此营运模式,故目前仅有少数大厂能维持。
优势:a.在设计、制造等环节最优化 b.可先实验并推行新技术
劣势:营运成本高
代表:Samsung、Intel

2. 代工厂(Foundry) 模式:

只需负责制造、封装、测试其中环节,可以同时为多家设计厂商服务,但受限于供应商的竞争,需特别留意客户机密技术外泄情形,代工厂的主要竞争力来自于规模化生产、生产管控。
优势:a.不承担设计电路、商品销售等风险 b.获利相对稳定
劣势:a.仰赖实体资产,资金需求大 b.需大量资本维持工艺水平
代表:台积电、联电、日月光、矽品

3. 无厂 IC 设计商(Fabless)模式:

只负责芯片电路设计、销售,将生产、封装、测试外包,起初资金规模不大,进入门槛相对低。
优势:a.无庞大实体资产,创始规模小 b.企业运行费用低
劣势:a.无法做到上下游整合 b.需进行品牌塑造,并承担销售风险
代表:高通、联发科

4. 芯片设计服务提供商(Design Service)模式:

为芯片设计公司提供相对应工具、电路设计架构、咨询服务等,不设计、销售芯片,而是贩售智慧财产权—设计图,又称硅智财(SIP)。
优势:a.无庞大实体资产、规模较小 b.不必负担销售风险
劣势:a.容易形成垄断 b.技术门槛高,累计技术时间长
代表:ARM、新思科技、Imagination


半导体运用领域:未来应用 6 大领域

根据国际半导体产业协会说法,半导体未来主要运用在智慧运输、智慧医疗、智慧数据、智慧制造、绿色制造和先进制造。而运输、工业制造是最主要的两大动能。智慧车辆驾驶辅助安全系统等级越来越高,藉由后端 AI 芯片运算,从接收感测讯号,经由运算分析,再传达至车辆动力系统,可完成安全回避和抵达目的地的需求,实现全自动化驾驶愿景。工业制造从数字化演进成全自动生产,引入物联网系统到生产管理系统中,推动工业智慧制造新时代,带动整体半导体市场需求。
在未来 5G、AI 与半导体产业息息相关,5G 时代来临带动整个半导体周边商品,如 5G 智能型手机市场需求近 2 亿台,将带起另一波换机潮,而 AI 智能需透过大量运算效能,使晶圆技术需不断推陈出新,以适应科技变化快速,未来半导体产业有望另创高峰。

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