【解密台積電2】一文看懂 半導體 產業鏈 : IC 設計、 IC 製造、 IC 封測
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【解密台積電2】一文看懂 半導體 產業鏈 : IC 設計、 IC 製造、 IC 封測

2021 年 5 月 3 日


在上一篇《【解密台積電1】台積電如何成為半導體之王?2 方向一探究竟!》中,我們跟你提到了 半導體 產業的重要性,以及發展階段。那麼接下來,我們要教你看懂半導體產業鏈。要看懂半導體產業鏈,首先你一定要認識 IC 晶片的生產過程,就讓股感帶你先快速了解一下「 IC 晶片」的生產過程吧!

IC 晶片的生產過程,簡單來說就是把設計好的電路圖,轉移到半導體(Semiconductor)做成的晶圓(Wafer)上,經過一連串的程序後,在晶圓表面上形成積體電路(IC,Integrated Circuit),再切割成一片一片的裸晶/晶粒(Die),最後把這些裸晶/晶粒用外殼包起來保護好,形成最終的晶片(Chip)。

半導體 產業的上、中、下游

也就是說,一個 IC 晶片從無到有,大概就依序分為下面 3 個階段,而這 3 個階段,就是所謂半導體產業的上、中、下游:

  1. 「設計圖」
  2. 把電路弄到「晶圓」上形成 IC
  3. 切成「裸晶」再包起來變成「晶片」。

半導體產業的上游、中游、下游分別都在做什麼事呢?

產業層級
項目
說明
上游 IC 設計 製作 IC 設計圖
中游 IC 製造 把設計圖上的積體電路,實際製造出來
下游 IC 封測 把晶圓切割成裸晶,測試沒問題就加上外殼封裝成晶片

整理:股感知識庫

半導體 上游: IC 設計製程

「晶片」是用來處理資訊的完整電路系統,在製造晶片之前,總得先知道要製造什麼晶片吧?因此工程師必須根據需求,先規劃好晶片需要具備的功能,以及這些功能要分佈在晶片上的哪些區域,再使用「硬體描述語言」 (HDL,Hardware Description Language)把晶片功能描寫成程式碼,接著經由「電子設計自動化」 (EDA,Electronic Design Automation)工具,讓電腦把程式碼轉換成電路圖。

晶片依據功能的不同,可以分成 4 大類:

  1. 記憶體 IC(Memory IC):用來儲存資料。依據停止供電後,資料是否能繼續儲存。
  2. 微元件 IC(Micro Component IC):具有特殊資料處理功能的元件。
  3. 邏輯 IC(Logic IC):進行邏輯運算的 IC。
  4. 類比 IC(Analog IC):處理類比訊號的 IC。

而上述 4 大類別中,又可以細分出其他子類,請先參考下圖,我們等等會一項項為你說明。

半導體 IC

股感小科普:IC 分類

記憶體 IC
(Memory IC)

記憶體 IC 是用來儲存資料的,而依據停止供電後,資料是否能繼續儲存,可分為 2 大類:

  • 揮發性(Volatile):斷電後資料會消失,如:動態隨機記憶體(DRAM,Dynamic Random Access Memory)、靜態隨機記憶體(SRAM,Static Random Access Memory)。
  • 非揮發性(Non-Volatile):斷電後資料會繼續儲存,如:唯讀記憶體(ROM,Ready Only Memory)、快閃記憶體(Flash)。
微元件 IC
(Micro Component IC)
微元件 IC 是具有特殊資料處理功能的元件,可分為 4 大類:

  • 微處理器(MPU,Micro Processor Unit):處理複雜的邏輯運算,像是:中央處理器(CPU,Central Processing Unit)、圖形處理器(GPU,Graphics Processing Unit)。
    微處理器部分,根據「指令集架構」(ISA,Instruction Set Architecture),又可分為複雜指令集運算(CISC,Complex Instruction Set Computing)如 Intel x86;精簡指令集運算(RISC,Reduced Instruction Set Computing)如 ARM。
  • 微控制器(MCU,Micro Controller Unit):相當於一台微電腦,將電腦的基本組成:CPU、記憶體、輸入輸出介面(I/O),整合在一塊 IC 晶片上。又稱作「單晶片」/「單晶片微電腦」(Single-Chip Microcomputer)。
  • 數位訊號處理器(DSP,Digital Signal Processor):處理和運算「數位訊號」(Digital Signal)。由於電腦只能處理數位訊號,所以為了讓電腦能處理像是聲音、電磁波…等等自然界的「類比訊號」(Analog Signal),需要把設備接收到的類比訊號,以「類比/數位轉換器」(ADC)轉換成數位訊號,經由 DSP 處理和運算之後,再透過「數位/類比轉換器」(DAC)把處理好的數位訊號轉換為類比訊號輸出,例如:音效卡。
  • 微周邊(MPR,Micro Peripheral):支援 MUP、MCU 的電路元件,用來處理電腦周邊設備的晶片,如:鍵盤控制、語音輸出入、印表機。
邏輯 IC
(Logic IC)
邏輯 IC 為進行邏輯運算的 IC,可分為 2 類:

  • 標準邏輯 IC (Standard Logic IC):進行基本邏輯運算,如:AND、OR、NOT…等,大量製造並販售給不同客戶的IC標準產品。
  • 特殊應用 IC(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)針對特殊用途或單一客戶量身定做的 IC,具客製化、差異化、少量化的特性,應用於產業變動快、整合需求高的市場,例如:挖礦晶片。而特殊應用 IC 依客製化程度,又可分為:
  • 全客製化 IC(Full-Custom IC):全部從零開始,完全依應用需求重新設計。
  • 半客製化 IC(Semi-Custom IC):購買或使用已經設計好的現成 IC,整合起來組成完整的電路設計。
類比 IC
(Analog IC)
類比 IC 是處理類比訊號的 IC,主要用在:電源管理(Power Management)、放大器(Amplifier)、轉換器(Converter);「轉換器」如前面 DSP 提到的像是:「數位/類比訊號轉換器」(DAC,Digital to Analog Converter)和「類比/數位訊號轉換器」(ADC,Analog to Digital Converter)。

資料整理:股感知識庫

半導體 上游: IC 設計產業鏈

既然有各種不同功能類型的晶片,這些晶片的設計 Know How 當然也不會相同,因此「 IC 設計公司」也根據設計的 IC 產品類別不同,分為:記憶體 IC、微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 這 4 大類,如上表的股感小科普所述。

而就像唱片一樣,有價值的不是唱片本身,而是唱片中的歌曲如何做出的 Know How,也就是「智慧財產權」(Intellectual Property);IC 設計也是如此,有價值的不是電路設計圖,而是設計圖背後的 Know How,由於半導體的主流成分是「矽」(Silicon),所以 IC 設計的智慧財產權,稱為「矽智財」(SIP,Silicon Intellectual Property)。

「IC 設計公司」(Design House)的營運重心,主要包含 2 大部分:晶片的「電路設計」與「晶片銷售」。也就是把晶片設計好後,找代工廠把晶片製造出來,再拿去賣

IC 設計公司的營運 2 大重心
1 晶片的電路設計
2 晶片銷售
整理:股感知識庫

這整個流程如果每個環節都自己來,是很費時費力的,所以有些 IC 設計廠商,只把完整的「功能單元」(Function Unit)或「區塊」(Block)設計好,而不把晶片做出來,以授權的方式販賣給他人使用,使用者只要支付「授權費」(License Fee)就可以使用這些設計圖。也就是只賣設計圖或指令架構、不販售自己的晶片,稱為「矽智財 (SIP)供應商」,例如:ARM。

另外,有些 IC 設計廠商,也會把設計的某些環節外包給「IC 設計服務公司」(IC Design Service)。「IC 設計服務公司」與「IC 設計公司」最大的不同,就在於「IC 設計服務公司」沒有屬於自己的晶片產品,也沒有晶圓廠,只為 IC 設計公司提供部分流程的代工服務,解決晶片設計開發時遇到的問題,也就是 IC 設計的外包公司,又稱為 「沒有晶片的公司」(Chipless)。

而「IC 設計服務公司」的營收來源,主要包含 3 塊:

  1. 矽智財(SIP)出售:將所開發完成的 IP 技術,授權或出售給需要的 IC 設計公司;而專門販賣矽智財的就是「矽智財供應商」。
  2. 委外設計(NRE,Non-Recurring Engineering):接受客戶外包的設計 IC 服務。
  3. 統包(Turn-Key): IC 設計完成後進入生產階段,如果客戶不擅長與代工廠往來,就由 IC 設計服務公司代為處理生產製造的業務。

除此之外, IC 設計產業中,工程師在設計 IC 時,除了 IC 設計本身,還會使用到像是 EDA 這樣的「IC 設計工具」,也是半導體產業鏈上游 IC 設計的一環。

半導體 IC

半導體 中游: IC 製造製程

前面,我們已經跟你介紹了 IC 的種類,以及設計上的製程,接著來看看實際「製造」時的製程吧!當 IC 設計完成後,就要進入生產階段,也就是 IC 製造,這個階段正是產業半導體產業鏈的中游段。而 IC 製造簡單來說,就是「晶圓代工廠」要「把設計好的電路圖,實際轉移到半導體晶圓上」。

那 IC 製造流程怎麼走?首先,把設計圖轉移到晶圓上的 IC 製造過程大致分成 6 個階段,依序為:晶圓、靶材濺鍍、塗佈光阻、光罩微影、蝕刻、去除光阻,如下表。

IC 製造過程 6 階段
階段序 1 2 3 4 5 6
項目 晶圓 靶材濺鍍 塗佈光阻 光罩微影 蝕刻 去除光阻
整理:股感知識庫

既然是要把電路圖弄到晶圓上,首先當然要有「晶圓」,如果自己沒有生產晶圓,生產晶片的「晶圓代工廠」,就要先跟生產晶圓的「晶圓廠」拿到「晶圓」;而電路設計圖我們已經知道是從 IC 設計公司那邊拿來。

拿到晶圓後,要先在晶圓表面鍍上一層金屬薄膜,那層薄膜的材料就稱為「靶材」(Target),而這層薄膜最終會形成電路。

至於要怎麼把電路設計圖弄到晶圓上?我們看到的晶片都超小一個,但電路設計圖很大一張,所以要透過光學原理,利用「光罩」和「紫外光」把電路縮小、轉印到晶圓上。

什麼意思?就是先把電路設計圖,以電子束刻在石英片上,做成「光罩」。然後像照片一樣,在濺鍍好薄膜的晶圓表面上,再塗上一層稱為「光阻」的感光層,接著透過「紫外光」和「凸透鏡」把光罩上的電路圖縮小、轉印到晶圓表面的光阻上。

紫外光照射的過程中,沒有被光罩擋住的地方,紫外光會照射到光阻上,把光阻破壞,除去這些被破壞的光阻後,透過蝕刻,把沒有受光阻保護的金屬薄膜清除掉,剩下來的金屬薄膜就是設計圖上的電路了,這樣一來就已經把電路圖弄到晶圓上,最後再把留下來的金屬薄膜上方的光阻去除。

半導體 中游: IC 製造產業鏈

從 4 大類 IC 類別:記憶體 IC、微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 中,可以發現,微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 這 3 類主要功能在於資料處理和運算,而記憶體 IC 主要功能則在於資料儲存。因此,生產晶片的 IC 製造廠一般又分為 2 大宗:「晶圓代工」和「記憶體製造」。

而且應該不難想像,製造晶片的 IC 製造廠,在把電路轉印到晶圓的過程中,會需要用到各式各樣的「IC 製造設備」;製程中還有一些重要的「IC 製造材料」,像是:基本材料「晶圓」、濺鍍在晶圓上作為電路的金屬薄膜「靶材」、轉印電路圖用的「光罩」,以及光阻等「化學品」。這些「IC 製造設備」和「「IC 製造材料」」也都是中游-IC產業中的一環。

半導體 IC

半導體 下游: IC 封測製程

當成功把設計圖上的電路,弄到晶圓上形成 IC 後,接著就是要「測試」和「封裝」。也就是要測試這些 IC 能不能用,然後把晶圓上的 IC 切下來變成一片一片的裸晶/晶粒,因為這些裸晶很脆弱,如果 IC 經過測試後是能用的,就要用外殼把它包起來保護好,也就是封裝,成為最終的成品「晶片」。

股感小科普:晶片的封裝方式

既然「封裝」是把 IC「裸晶」包起來變成「晶片」,就要有一個能把「裸晶」固定在上面的載體,總不能讓 IC 在保護殼裡面晃來晃去吧?以及這個「裸晶」被包起來後,如果完全封死,那要怎麼使用?所以還要留有能對外連接的管道。

而這個負責乘載裸晶,及讓裸晶能對外連接的元件,主要分 2 種:「IC載板」和「導線架」(Lead Frame)。裸晶安置在 IC載板 或 導線架 上後,再用一個外殼保護起來。

這些封裝好的「晶片」在使用的時候,就要再連接到印刷電路板(PCB,Printed Circuit Board)上。

這樣一來就可以想像,「封裝」是把「裸晶」放在「IC 載版」或「導線架」上後,包成「晶片」,而「晶片」使用時又會再連接到「PCB」。那麼 IC 的連接就分成 2 段:「IC & IC載版」的連接、「IC載版 & PCB」的連接。

整理:股感知識庫

IC 的封裝方式非常多,而且不斷在進步,這邊僅介紹基本的幾種類型。

「IC & IC 載版」的連接

IC & IC 載版的連接有「打線封裝」和「覆晶封裝」:

  1. 「打線封裝」(WB,Wire Bond):透過「金線」把 IC 上的連接點跟 IC 載版 或 導線架 連接起來。如果是以導線架封裝,晶片內部的 IC 便是藉由導線架,從內部直接連接到外部的 PCB上。
  2. 「覆晶封裝」(FC,Flip Chip):在 IC 的連接點上接合「錫球凸塊」(Solder Bump),再把 IC 翻覆,讓 IC 上的凸塊與 IC 載版連接起來。

「IC 載版 & PCB」的連接

IC 載版 & PCB 的連接,基本有 BGA、PGA、LGA:

  1. 「球型陣列封裝」(BGA,Ball Grid Array):以 IC 基板上的錫球凸塊與PCB連接。
  2. 「針型陣列封裝」(PGA,Pin Grid Array) :以 IC 基板上的針狀插腳與PCB連接。
  3. 「平面陣列封裝(LGA,Land Grid Array):以 IC 基板上以金屬平面觸點與PCB連接。

半導體 下游: IC 封測產業鏈

當然,IC 封測廠商在進行「晶片測試」和「晶片封裝」時,也會用到「晶片測試設備」和「晶片封裝設備」,以及封裝時還會用到各種「晶片封裝材料」,像是:IC載版、導線架、錫球、金線,以及封裝膠、封裝外殼等模封材料。

半導體 IC

IC 產業商業模式:IDM、Foundry、Fabless、Design Service

而整個 半導體 IC 產業鏈,主要就分成:上游-IC設計、中游-IC製造、下游-IC封測。而根據半導體公司的營運範圍,大致可分成 3 種商業模式:IDM、Foundry、Fabless ,下面簡單為你介紹。

整合元件製造商(IDM,Integrated Device Manufacturer)

就是上、中、下游全都自己做,從 IC 設計、製造、封裝、測試到銷售全部一手包辦的半導體公司。像是:英特爾(Intel)、德州儀器(Texas Instruments)、三星(Samsung)。

早期的半導體公司多半是 IDM 廠商,但隨著 IC 晶片的設計和製作越來越複雜,要單獨從上游到下游全包的難度與費用也越來越高。因此 1980 年代末期,半導體產業逐漸轉向專業分工模式,有些公司專門做設計,然後交由其他公司製造和封裝測試。

晶圓代工/封測廠(Foundry / Assembly and Test)

「有工廠」的半導體公司,只負責製造、封裝、測試的部分環節,不負責晶片設計,可以同時為多家設計公司提供服務。像是:晶圓代工 – 台積電、聯電、格羅方德(GlobalFoundries);封裝測試 – 日月光、矽品。

無廠半導體公司(Fabless)

「沒有工廠」的 IC 設計公司,只負責晶片的電路設計和銷售,將生產、測試、封裝等環節外包。像是:聯發科、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)。

另外,前面有提到過,有些公司除了「沒有工廠」(Fabless), 也「沒有自己的晶片產品」(Chipless),也就是 IC 設計服務公司。

股感小科普:IC 設計服務公司(IC Design Service)

不設計和銷售自己的晶片,而是為 IC 設計公司 提供工具、電路設計架構、完整功能單元、設計外包服務…等。營收來自於販賣矽智財(SIP)、委外設計服務(NRE)、統包(Turn-Key)。

整理:股感知識庫

半導體產業鏈,你瞭解了嗎?

透過這篇文章,一口氣簡要地認識了半導體產業鏈的:上游-IC設計、中游-IC製造、下游-IC封測,以及半導體產業的商業模式:IDM、Foundry、Fabless、Design Service。不知道現在,你是不是對台灣最重要的半導體產業輪廓,開始有了初步的了解了呢?

接著,我們將進一步帶你認識護國神山的主要業務「晶圓代工」,請有興趣完整認識台積電的你接著閱讀>>【解密台積電3】什麼是晶圓代工?為什麼需要認識它?

【延伸閱讀】

 
週餘
 
 
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