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大科普:最全面的半导体晶圆工艺介绍

时间:2021-01-13 12:03

  IC 设计方面, 巨头把控竞争壁垒较高, 2018 年以来 AI 芯片成为新成长动力。 高通、博通、联发科、苹果等厂商实力最强,大陆厂商海思崛起。 随着科技发展引领终端产品升级,AI 芯片等创新应用对 IC 产品需求不断扩大,预计到 2020 年 AI 芯片市场规模将从 2016 年约 6 亿美元升至 26 亿美元, CAGR 达 43.9%,目前国内外 IC 设计厂商正积极布局 AI 芯片产业。英伟达是 AI 芯片市场领导者, AMD 与特斯拉正联合研发用于自动驾驶的 AI 芯片。

  对于国内厂商,华为海思于 2017 年 9 月率先推出麒麟 970 AI 芯片,目前已成功搭载入 P20等机型;比特大陆发布的全球首款张量加速计算芯片 BM1680 已成功运用于比特币矿机;寒武纪的 1A 处理器、地平线的征程和旭日处理器也已崭露头角。IC 设计面向终端、面向市场成为必然,国内厂商优势明显。 IC 设计业以需求为导向,才能够更好服务于下游客户。海思、展锐等移动处理芯片、基带芯片厂商依靠近些年中国智能手机市场爆发迅速崛起,跻身世界 IC 设计十强,海思芯片已全面应用到华为智能手机当中,三星、小米等厂商亦采用了自研芯片, 现今中国为全球最大的终端需求市场,因而国内IC 设计业有巨大发展优势。

  代工制造方面,厂商 Capex 快速增长,三星、台积电等巨头领衔。 从资本支出来看,目前全球先进制程芯片市场竞争激烈,全球排名前三的芯片制造商三星、英特尔、台积电的Capex 均达到百亿美元级别, 2017 年分别为 440/120/108 亿美元,预计三星未来三年总Capex 接近 1100 亿美元,英特尔和台积电 2018 年 Capex 则预计分别达到 140 和 120 亿美元,均有较大幅度的增长,利于巨头通过研发先进制程技术和扩张产线来占领市场。

  从工艺制程来看,台积电走在行业前列,目前已大规模生产 10nm 制程芯片, 7nm 制程将于 2018年量产;中国大陆最为领先的代工厂商中芯国际目前具备 28nm 制程量产能力,而台积电早于 2011 年已具备 28nm 量产能力,相比之下大陆厂商仍有较大差距。

  封测方面,未来高端制造+封测融合趋势初显,大陆厂商与台厂技术差距缩小。 封装测试技术目前已发展四代,在最高端技术上制造与封测已实现融合,其中台积电已建立起CoWoS 及 InFO 两大高阶封装生态系统,并计划通过从龙潭延伸至中科将 InFO 产能扩增一倍,以满足苹果 A12 芯片的需求。

  封测龙头日月光则掌握顶尖封装与微电子制造技术,率先量产 TSV/2.5D/3D 相关产品,并于 2018 年 3 月与日厂 TDK 合资成立日月旸电子扩大 SiP布局。由于封装技术门槛相对较低,目前大陆厂商正快速追赶,与全球领先厂商的技术差距正逐步缩小,大陆厂商已基本掌握 SiP、 WLCSP、 FOWLP 等先进技术,应用方面 FC、 SiP等封装技术已实现量产。

  新一轮区域转移面向中国大陆。 尽管目前 IC 设计、制造、封测的顶级厂商主要位于美国、中国台湾。总体来看,半导体制造产业经历了美国——日本——韩台的发展历程: 1950s,半导体产业起源于美国, 1947 年晶体管诞生, 1958 年集成电路诞生。 1970s,半导体制造由美国向日本转移。 DRAM 是日韩产业发展的重要切入点, 80s 日本已在半导体产业处于领先地位。 1990s,以 DRAM 为契机,产业转向韩国三星、海力士等厂商;晶圆代工环节则转向台湾,台积电、联电等厂商崛起。 2010s,智能手机、移动互联网爆发,物联网、大数据、云计算、人工智能等产业快速成长。人口红利,需求转移或将带动制造转移,可以预见中国大陆已然成为新一轮区域转移的目的地。

  晶圆尺寸与工艺制程并行发展,每一制程阶段与晶圆尺寸相对应。 (1) 制程进步→晶体管缩小→晶体管密度成倍增加→性能提升。 (2) 晶圆尺寸增大→每片晶圆产出芯片数量更多→效率提升→成本降低。 目前 6 吋、 8 吋硅晶圆生产设备普遍折旧完毕,生产成本更低,主要生产 90nm 以上的成熟制程。 部分制程在相邻尺寸的晶圆上都有产出。 5nm 至 0.13μm则采用 12 英寸晶圆,其中 28nm 为分界区分了先进制程与成熟制程,主要原因是 28nm 以后引入 FinFET 等新设计、新工艺,晶圆制造难度大大提升。

  晶圆需求总量来看, 12 英寸 NAND 及 8 英寸市场为核心驱动力。 存储用 12 寸硅晶圆占比达 35%为最大, 8 寸及 12 英寸逻辑次之。 以产品销售额来看,全球集成电路产品中,存储器占比约 27.8%,逻辑电路占比 33%,微处理器芯片合模拟电路分别占 21.9%和 17.3%。根据我们预测,全球 2016 年下半年 12 寸硅晶圆需求约 510 万片/月,其中用于逻辑芯片的需求 130 万片/月,用于 DRAM 需求 120 万片/月,用于 NAND 需求 160 万片/月,包括 NORFlash、 CIS 等其他需求 100 万片/月; 8 寸硅晶圆需求 480 万片/月,按面积折算至 12 寸晶圆约 213 万片/月, 6 寸以下晶圆需求约当 12 寸 62 万片/月。

  由此估算,包括 NAND、 DRAM在内用于存储市场的 12 寸晶圆需求约占总需求 35%, 8 寸晶圆需求约占总需求 27%,用于逻辑芯片的 12 寸晶圆需求约占 17%。需求上看,目前存储器贡献晶圆需求最多, 8 寸中低端应用其次。

  下游具体应用来看, 12 英寸 20nm 以下先进制程性能强劲, 主要用于移动设备、 高性能计算等领域, 包括智能手机主芯片、计算机 CPU、 GPU、高性能 FPGA、 ASIC 等。14nm-32nm 先进制程应用于包括 DRAM、 NAND Flash 存储芯片、中低端处理器芯片、影像处理器、数字电视机顶盒等应用。

  12 英寸 45-90nm 的成熟制程主要用于性能需求略低,对成本和生产效率要求高的领域,例如手机基带、 WiFi、 GPS、蓝牙、 NFC、 ZigBee、 NOR Flash 芯片、 MCU 等。 12 英寸或 8 英寸 90nm 至 0.15μm 主要应用于 MCU、指纹识别芯片、影像传感器、电源管理芯片、液晶驱动 IC 等。 8 英寸 0.18μm-0.25μm 主要有非易失性存储如银行卡、 sim 卡等, 0.35μm 以上主要为 MOSFET、 IGBT 等功率器件。

  衬底市场: 高技术门槛导致化合物半导体衬底市场寡占,日本、美国、德国厂商主导。GaAs 衬底目前已日本住友电工、德国 Freiberg、美国 AXT、日本住友化学四家占据,四家份额超 90%。住友化学于 2011 年收购日立电缆(日立金属)的化合物半导体业务,并于 2016年划至子公司 Sciocs。 GaN 自支撑衬底目前主要由日本三家企业住友电工、三菱化学、住友化学垄断,占比合计超 85%。 SiC 衬底龙头为美国 Cree(Wolfspeed 部门),市场占比超三分之一,其次为德国 SiCrystal、美国 II-VI、美国 Dow Corning,四家合计份额超 90%。近几年中国也出现了具备一定量产能力的 SiC 衬底制造商,如天科合达蓝光。

  外延生长市场中,英国 IQE 市场占比超 60%为绝对龙头。 英国 IQE 及中国台湾全新光电两家份额合计达 80%。 外延生长主要包括 MOCVD(化学气相沉淀)技术以及 MBE(分子束外延)技术两种。例如, IQE、 全新光电均采用 MOCVD,英特磊采用 MBE 技术。 HVPE(氢化物气相外延)技术主要应用于 GaN 衬底的生产。

  化合物半导体晶圆代工领域稳懋为第一大厂商,占比 66%,为绝对龙头。 第二、第三为宏捷科技 AWSC、 环宇科技 GCS,占比分别为 12%、 9%。国内设计推动代工, 大陆化合物半导体代工龙头呼之欲出。 目前国内 PA 设计已经涌现了锐迪科 RDA、 唯捷创芯 vanchip、汉天下、 飞骧科技等公司。

  国内化合物半导体设计厂商目前已经占领 2G/3G/4G/WiFi 等消费电子市场中的低端应用。 三安光电目前以 LED 应用为主,有望在化合物半导体代工填补国内空白,其募投产线 片/月产能,成为大陆第一家规模量产 GaAs/GaN 化合物晶圆代工企业。

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  由于在10nm制程上遇到问题,英特尔正在努力保持14nm晶圆供应,并且采取第一项措施来避免硅短缺。英特尔选择了不同的工艺生产大批量的硅片,首先获得此待遇的是英特尔芯片组芯片。英特尔目前重新启用22nm节点生产H310芯片组,减轻了14nm硅的供应紧张,H310是英特尔第8代和第9代处理器最简单和最低端的芯片组,并且广泛用于大量的办公室和消费者PC,由于对机载通信的要求较低,可扩展性有限。这款便宜的芯片组占据了英特尔14nm制程生产线C和H310芯片组照片,尺寸差异很明显。H310C芯片组采用sSpec srcXT,据称尺寸为10mm x 7mm

  晶圆(wafer) 是制造半导体器件的基础性原材料。 极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆,晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构,再经切割、封装、测试成为芯片,广泛应用到各类电子设备当中。 晶圆材料经历了 60 余年的技术演进和产业发展,形成了当今以硅为主、 新型半导体材料为补充的产业局面。半导体晶圆材料的基本框架20 世纪 50 年代,锗(Ge)是最早采用的半导体材料,最先用于分立器件中。集成电路的产生是半导体产业向前迈进的重要一步, 1958 年 7 月,在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司,杰克·基尔比制造的第一块集成电路是采用一片锗半导体材料作为衬底制造的。半导体产业链流程但是锗器件的耐高温和抗辐射性

  中国至少已浮出三家晶圆厂将采用SOI工艺先进制程。根据MarketsandMarkets 最新预估,SOI市场在2022年市场价值将达18.6亿美元,2017-2022年期间平均复合成长率将达29.1%。其中,亚太区晶圆厂将是主力客户。下面就随半导体小编一起来了解一下相关内容吧。SOI之所以能快速增长,主要来自消费类电子市场增长、成本下降以及芯片对于低工耗功能的需求快速攀升。尤其来自12吋晶圆的需求将于2022成为SOI最大的市场。许多亚太区客户正在大量采用SOI工艺制程生产芯片,其芯片还涵盖消费类芯片、智能手机客户以及资通讯预料也是SOI在2017-2022年之间成长最快的市场。IC客户博通(Broadcom)、 Qorvo

  中国至少已浮出三家晶圆厂将采用SOI工艺先进制程。根据MarketsandMarkets 最新预估,SOI市场在2022年市场价值将达18.6亿美元,2017-2022年期间平均复合成长率将达29.1%。其中,亚太区晶圆厂将是主力客户。SOI之所以能快速增长,主要来自消费类电子市场增长、成本下降以及芯片对于低工耗功能的需求快速攀升。尤其来自12吋晶圆的需求将于2022成为SOI最大的市场。许多亚太区客户正在大量采用SOI工艺制程生产芯片,其芯片还涵盖消费类芯片、智能手机客户以及资通讯预料也是SOI在2017-2022年之间成长最快的市场。IC客户博通(Broadcom)、 Qorvo、高通( Qualcomm)、Murata

  今年8月Intel宣布俄勒冈的D1X工厂开始向450mm晶圆工艺升级,只是目前的大环境对PC并不利,而且Intel昨天表示Broadwell处理器都要延期生产,这些利空导致很多人对Intel的450mm晶圆大业的前景保持怀疑。但是,在最近的财报会议上,CEO卡兹安尼克对此正式作出回应,称Intel 450mm晶圆工艺的计划正如期进行,并没有任何改变,预计将在这个十年内的后五年应用。 目前的晶圆厂主要使用的还是300mm和200mm晶圆,下一个目标就是450mm晶圆了,但是450mm晶圆技术难度非常大,还需要新一代的EUV光刻工艺配合,整个半导体业界还处于技术研发阶段,这也就不得不让人对其前景产生怀疑了。不过,这次intel

  低关键的核心器件的品质。本文将不对此进行讨论。 现在,所有需要关注的问题似乎都已经有所涉及。不过,晶圆离开晶圆厂后,工艺开发人员的工作并不算完。评估后续的结果至关重要。由于磨薄后的晶圆和封装模塑料产生的应力,晶圆厂获得的性能可能会在晶圆磨薄和IC封装工艺过程中轻易地失去。因此,必须密切关注这类问题,以便减轻这些有害的影响。要达到这个目的,可以采用聚酰亚胺等应力释放层或者其它技术,比如在晶圆磨薄前在硅工艺结束时采用这些技术,或者在封装过程中采用这些技术。 采用晶圆厂的专用模拟COMS工艺 电子设计人员不再需要仅依靠模拟IDM获取高性能模拟CMOS性能来实现其产品的差异化。产品制造商以及无晶圆厂企业现在可以通过世界级的专业

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