一、半导体芯片是什么
一般情况下,半导体、集成电路、芯片这三个东东是可以划等号的,因为讲的其实是同一个事情。
半导体是一种材料,分为表格中四类,由于集成电路的占比非常高,超过80%,行业习惯把半导体行业称为集成电路行业。
而芯片就是集成电路的载体,广义上我们就将芯片等同于了集成电路。
所以对于小白来说,只需要记住,当芯片、集成电路、半导体出现的时候,别慌,是同一码事儿。
二、半导体芯片产业链重要环节
产业链简单来说分上、中、下游主要是三个环节:
这些名词看着很复杂,那我就用大白话帮大家翻译一下(对照着下面这张图一起看):
1、IC设计指的是集成电路设计。什么手机、电脑、智能设备玩意儿运行逻辑都要在这个时候定好;
2、晶圆制造是啥意思呢?因为集成电路需要做到一个晶片上,晶片是从砂石里层层提炼出来的东西,中间有拉晶、切割的工艺,要用到熔炼炉、CVD设备、单晶炉和切片机这几样设备。
3、晶圆加工就是在上一步做好的晶圆基础上,把集成电路做到上面去主要包含镀膜、光刻、刻蚀、离子注入这些工艺。这也需要多项设备来实现。
4、封测就是封装+测试。目的是把上面做好的集成电路放到保护壳中,防止损坏、腐蚀。要用到切割减薄设备、引线机、键合机、分选测试机等设备。
最后,芯片就成品了。
重要:这里着重强调一下,晶圆制造及加工是芯片制造的核心工艺,要比后面的封测环节难得多,此处的设备投资非常庞大,能占到全部设备投资的70%以上。 封装、测试的设备投入大概分别为全部设备投资的15%、10%。
还是做个表格看的更清楚一点:在建厂全部的投资中半导体设备投资占比67%,在这67%的投入中,晶圆制造设备占到了70%以上,可见重要性。
那么,关键点来了同学们,当半导体芯片开始产业化之路时,一定是设备先行!逻辑很简单,国内产能不足,要建厂,那么这个时候设备的需求量是最大最急的。
只有设备投入了,建厂了,半导体相关产品才有可能量产。
三、半导体芯片行业的运作模式
1、IDM(Integrated Device Manufacture)模式
主要的特点如下:集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身;早期多数集成电路企业采用的模式;目前仅有极少数企业能够维持。
主要的优势如下:设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力;能有条件率先实验并推行新的半导体技术(如FinFet)。
主要的劣势如下:公司规模庞大,管理成本较高;运营费用较高,资本回报率偏低。
这类企业主要有:英特(Intel)、三星、 德州仪器(TI)。
2、Fabless(无工厂芯片供应商)模式
主要的特点如下:只负责芯片的电路设计与销售;将生产、测试、封装等环节外包。
主要的优势如下:资产较轻,初始投资规模小,创业难度相对较小;企业运行费用较低,转型相对灵活。
主要的劣势如下:与IDM相比无法与工艺协同优化,因此难以完成指标严苛的设计;与Foundry相比需要承担各种市场风险,一旦失误可能万劫不复。
这类企业主要有:海思、联发科(MTK)、博通(Broadcom)。
3、Foundry(代工厂)模式
主要的特点如下:只负责制造、封装或测试的其中一个环节;不负责芯片设计;可以同时为多家设计公司提供服务,但受制于公司间的竞争关系。
主要的优势如下:不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。
主要的劣势如下:投资规模较大,维持生产线正常运作费用较高;需要持续投入维持工艺水平,一旦落后追赶难度较大。
这类企业主要有:台积电(SMIC)、UMC、Global Foundry。
4、 DESIGN SERVICE (芯片设计服务提供商) 模式
特点:不设计和销售芯片。为芯片设计公司提供相应的工具、完整功能单元、电路设计架构与咨询服务。由于没有实体产品、而是贩卖知识产权「设计图」,又称硅智财(SIP)。
优势:无庞大实体资产。公司规模较小、资金需求不高,但对于技术的要求非常高。不必负担产品销售的市场风险。
劣势:市场规模较小且容易形成垄断,后进者难以打入。
领导厂商:ARM、Imagination、Synopsys (新思科技)、Cadence
四、补充
半导体:
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。
无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。
晶圆:
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆;
在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构,而成为有特定电性功能的集成电路产品。
晶圆的原始材料是硅,而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。
晶体管 (电子元件)
晶体管(transistor)是一种固体半导体器件(包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等,有时特指双极型器件),具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关,能够基于输入电压控制输出电流。
与普通机械开关(如Relay、switch)不同,晶体管利用电讯号来控制自身的开合,而且开关速度可以非常快,实验室中的切换速度可达100GHz以上。
2016年,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有的最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,完成了计算技术界的一大突破。
靶材
镀膜靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。
简单说的话,靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料,用于高能激光武器中,不同功率密度、不同输出波形、不同波长的激光与不同的靶材相互作用时,会产生不同的杀伤破坏效应。
例如:蒸发磁控溅射镀膜是加热蒸发镀膜、铝膜等。更换不同的靶材(如铝、铜、不锈钢、钛、镍靶等),即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。
PVD
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)工艺。
五、总结
半导体 是原材料;集成电路 是核心;芯片 是集成电路的载体,是成品。
参考资料
Fabless
无晶圆厂; 设计公司; IC设计公司; 无晶圆; 无生产线;
Foundry
代造厂;
半导体芯片行业的运作模式是什么(IDM/Fabless/Foundry模式