从一粒沙子说起,聊聊联电与12纳米以下制程的“爱恨情仇”

2018-08-15 14:20:00 来源:EEFOCUS
标签:
IC   PCB   晶圆   趣科技   联电

 

近日,联电放弃12 纳米以下制程的消息在全球半导体行业引起轩然大波。不再拼技术,而是更看重投资回报率,赚钱第一,这看起来是一件不错的事情,但也透露了联电的无奈。

 

全球主要的5家晶圆代工厂中,台湾地区就有两家,最大的是台积电TSMC,去年营收320多亿,占了全球56%的份额,联电UMC位列第三,不过营收就只有50亿美元左右。

 

联电总经理王石说:“联电的客户群缩小,但先进工艺每个世代,产能的投资成本愈来愈高。”不断的追赶台积电,让联电身心疲惫。差距越来越大,只能选择别的出路。

 

说到这里,不从事这行的看官老爷就想问了,12纳米以下制程咋就这么难造?别急,这得从源头说起,今天,与非网小编就从半导体行业的整个工艺流程讲起,谈谈联电为什么爱不起12纳米?

 

先来看一下流程图:

 

 

 

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设计公司依客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试,就大功告成啦~

 

下面就该说到具体步骤:
 

(1)硅晶圆制造

简单的说晶圆是指拥有集成电路的硅晶片,因为其形状是圆的,故称为晶圆。晶圆在电子数码领域的运用是非常广泛的。内存条、SSD,CPU、显卡、手机内存、手机指纹芯片等等,可以说几乎对于所有的电子数码产品,晶圆都是不可缺少的。

 

半导体产业的最上游是硅晶圆制造。事实上,上游的硅晶圆产业又是由三个子产业形成的,依序为硅的初步纯化 → 多晶硅的制造 → 硅晶圆制造。

 

我们先来说说晶圆的主要原料。晶圆是沙子做的。可能一些网友会喷我,网友甲“你才是沙子做的呢”。上帝用泥巴造人,可能是骗人的。人类用沙子建起了金字塔,是真实的(科学家称,金子塔可能是人类首次使用混凝土技术所筑造的)。人类用沙子造晶圆,是我夸张的,但是也是可以有的。晶圆需要什么,需要硅。地球上第二丰富的元素是硅,而沙子、石头里都含有硅(满地都是硅,那为什么晶圆还缺呢!)。当然这仅仅能说沙子可以造晶圆,造CPU,芯片。如果真用沙子来做晶圆,提炼会是麻烦死人的。硅矿石的硅含量相对较高。所以晶圆一般的是以硅矿石为原料的。下面是具体步骤:

 

硅的初步纯化:

将石英砂(SiO2)转化成冶金级硅(硅纯度98%以上)。

石英砂

 

冶金级硅

 

多晶硅的制造:

将冶金级硅制成多晶硅。这里的多晶硅可分成两种:高纯度(99.999999999%,11N)与低纯度(99.99999%,7N)两种。高纯度是用来制做IC等精密电路IC,俗称半导体等级多晶硅;低纯度则是用来制做太阳能电池的,俗称太阳能等级多晶硅。

 

多晶硅

 

硅晶圆制造:
将多晶硅制成硅晶圆。硅晶圆又可分成单晶硅晶圆与多晶硅晶圆两种。一般来说,IC制造用的硅晶圆都是单晶硅晶圆,而太阳能电池制造用的硅晶圆则是单晶硅晶圆与多晶硅晶圆皆有。一般来说,单晶硅的效率会较多晶硅高,当然成本也较高。

 

硅晶圆

 

(2)IC设计
前面提到硅晶圆制造,投入的是石英砂,产出的是硅晶圆。IC设计的投入则是「好人」们超强的脑力(和肝),产出则是电路图,最后制成光罩送往IC制造公司,就功德圆满了!

 

简单来讲,IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定 → 逻辑设计 → 电路布局 → 布局后模拟 → 光罩制作。

 

规格制定:
品牌厂或白牌厂(没有品牌的品牌厂)的工程师和IC设计工程师接触,并开出他们需要的IC的规格给IC设计工程师 (譬如说,第一个脚位和第二个脚位相加要等于第九个脚位)。讨论好规格后,工程师们就开始快乐的工作啰!

 

逻辑设计:
藉由软件的帮助,工程师们终于完成了逻辑设计图了,来看一下:

 

 

所谓的「逻辑」设计图,就是指它是由简单的逻辑元件构成,而不是由半导体种类这篇提到的恶心的半导体电路元件 (如二极体、电晶体等,忘记得去复习一下喔!)所构成。什么是逻辑元件呢?像是AND Gate(故名思意,两个输入都是1的话,输出才是1,否则输出就是0),OR Gate(两个输入只要有一个输入是1,输出就是1)等。逻辑元件会在IC设计单元再和大家做进一步的介绍。

 

电路布局:
基本上,就是利用软件的帮助,把友善的逻辑设计图,转化成恶心的电路图。如图:

 

积体电路图

 

大家应该很熟悉吧!里面大部分都是我们在半导体种类是到的二极体和电晶体啰!

 

布局后模拟:
就是再经由软件测试看看,结果是不是和当初「规格制定」是一样的结果啰!

 

光罩制作:
电路完成后,再把电路制作成一片片的光罩就大功告成啰!完成后的光罩即送往IC制造公司。来看一下光罩长什么样子吧!

 

光罩

 

(3) IC制造
IC制造的流程较复杂,但其实IC制造就只做一件事而已:把光罩上的电路图转移到晶圆上。它的过程其实和传统相片的制造过程非常类似 (当然,精密度差太多了)!你如果上网google一下「IC制造」,会看到很多火星文的资料,保证你看不懂那些流程到底代表什么意思。

 

IC制造的步骤是这样子的:薄膜→光阻→显影→蚀刻→光阻去除,然后不断的循环数十次。我们来看一下示意图

 

IC制程

 

薄膜:
镀上金属(实际上不一定是金属)

 

光阻:
在晶圆上涂上一层光阻(感光层)

 

显影:
用强光透过「光罩」后照在晶圆上。这样的话,除了「电路」该出现的部分,其余光阻的部分是不是都照到光了?

 

蚀刻:
把没有光阻覆盖的薄膜冲蚀

 

光阻去除:
把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是电路图了!(这里假设电路图就是「一长条」而已,实际情况当然较复杂啰!)

 

很简单吧!当然,实际的过程没那么简单。实际的情形是光罩是由好几十层构成的,而每层需要的材质也不一样。也就是说,薄膜那一层需用不同的材质。譬如说,SiO2。

 

(4)IC封测
IC制造厂商完成的IC大致如下图:

 

晶圆完成品


这一片片的晶圆完成品就被送往IC封测厂,实行IC的封装与测试。

 

封装:
封装的流程大致如下:切割→黏贴→焊接→模封。

 

先讲一下观念好了,来看个CPU吧!

 

CPU

 

图片中央的就是CPU。CPU很大一个,但仔细看,中间那个金属部分才是CPU裸晶(又称晶粒,即未封装前的IC)的真正大小喔!其余的部分就是所谓的印刷电路板-PCB啰!
好!可以开始讲IC封装了!

 

切割:
第一步就是把IC制造公司送来的一片片晶圆切割成一颗颗长方形的IC啰!

 

黏贴:
把IC黏贴到PCB上

 

焊接:
故名思义,把IC的小接脚焊接到PCB上,这样才和大PCB(如主机板)相容喔!

 

模封:
故名思义,就是把接脚模封起来。最近很hot的题材-BT树脂,就是用在这里喔!
有感觉吗?来看个图就较清楚了:

 

IC成品

 

如图,中间的是晶粒,往外接到PCB上。

 

成本

一颗IC的大致生产流程就这样完成咯~过程可谓漫长不易。再回到开头,我们来看一下联电放弃12纳米以下制程的原因。

 

当然首当其冲的就是成本太高,来看一下7纳米制程。众所周知,在芯片中,线宽越小,可以在单位面积的芯片上整合更多的晶体管,而据消息人士表示,如果采用7纳米工艺制造,芯片制造商大约需要每年1.2亿套到1.5亿套的产量才能够盈亏平衡,弥补研发成本,目前看来,只有苹果、三星电子、高通和联发科能够达到这样的生产规模。联电的下游供货群达不到这样的标准,逐渐缩小的客户群让其不堪成本之重负。

 

其次,他的老对手台积电目前已经推出了7纳米制程,联电紧接着推出也不能捞到半点好,新工艺过了价格最高的黄金时期,留给它的只有一地黄花。这时候丢车保帅,也许是最好的选择了吧。

 

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