半导体芯片全产业链图谱.pdf

1、.自然选择自然选择InteDustryInteDustry产业经济研究产业经济研究Natural SelectionIDRIndustry Economy二极管原理二极管原理有限面积塞进更多电路和功能.子 張子 張即半导体把电路“集成化”.沐 涔沐 涔 二进制二进制半导体产业结构半导体产业结构BCNHe1.离子键(得/失电子)硼 硅 硅磷 可以设计逻辑元件(例:与或非)硼碳氮氦钠:最外层失去1个电子 将门电路集合起来即可实现复杂运算.辅助软件设计公司AlSiPNeIP设计公司铝硅硅磷氖氯:最外层得到1个电子电流导通记为1;未导通记为0.外包设计公司GaGeAsAr2.共价键(共用电子对)镓锗锗

2、砷氩独自进行设计、制作、测试半导体设备厂商ASML最著名.InSnSbKr 原材料公司提供硅片.铟锡锑氪氮 氮物料公司强酸,强碱,各种气体等.TlPbBiXe 铊铅铋氙测试设备厂商测试机台.+-+-外包测试公司例:制作probe card等.-+-+原料公司封装材料三极管三极管(在二极管上加1个P型或N型半导体,变成PNP或NPN)可以接三端电压(左中右),控制电流有无及大小.3代代.InFO,HBM,CoWos.解决问题:fabless/raw material/raw wafer.时序要求高.高性能芯片需多个芯片集成封装.主要产品半导体公司营收半导体公司营收两颗芯片不能相距太远.Qualc

3、omm 高通手机CPUInFO（integrated Fan-out）integrated(Multi InFo工艺)Broadcom 博通网络设备芯片,手机wifi芯片Samsung 三星Nvidia英伟达GPUIntel英特尔MediaTek 联发科低端手机CPUSK Hynix海力士Apple苹果苹果手机CPUTSMC台积电AMD超微电脑CPUMicron美光HiSilicon海思手机芯片,电源管理芯片Broadcom 博通Xilinx赛灵思FPGA芯片Qualcomm 高通Marvell美满电子通信相关芯片,DSP,IPToshiba东芝Unigroup紫光展锐射频芯片,基带芯片TI德

4、仪公司有大有小,小公司鱼龙混杂.手机CPU,电源管理等市场已划分完.Nvidia英伟达AI芯片,物联网芯片,汽车电子芯片刚起步,更多的细分功能芯片,这些机会更多.更像fabless 1H18/1H17,semifoundry主要代工逻辑芯片,CPU等,小众的有IGBT,MEMS.晶圆测试晶圆测试(Chip Probe,CP)CoWos技术:台积电独有.AMD:HBM技术;美光:HMC技术.TSMC台积电2代代.flip chip(倒装封装倒装封装)GlobalFoundries格罗方德Step.1.CP1/sort1:常温测试;UMC联华电子Step.2.CP2:高温烘烤后测试;Samsung

5、三星Step.3.CP3:客户想要的条件测试.Step.1.SMIC中芯国际封装测试封装测试(Final Test,FT)Powerchip力晶科技Step.1.Step.2.WLCSP(wafer level CSP)Huahong Group华虹集团bump(长金球,至此晶圆未被切割)TowerJazz高塔半导体Step.2.Step.3.测试后再切割,把好的芯片倒扣到基板上.分为6寸(150mm,制作500nm),8寸(200mm,制作350nm-180nm),12寸(300mm,制作90nm-10nm).6寸打酱油,主要是8寸和12寸.foundry给测试厂的产品是晶圆(wafer),

6、见右图.Step.3.1代代.wire bond(打线打线,工艺成熟工艺成熟,成本低成本低)包括封装和测试,费用由fabless支付.Step.4.将测试结果标记出来,把合格芯片寄给fabless.Step.1.切割.芯片未作任何处理前,引脚叫pad.系统级测试系统级测试Step.2.固定在lead frame(引线框架)上ASE日月光Amkor 安靠长电科技测试黑幕测试黑幕1.5代代.CSP(Chipe-Size Package)SPIL矽品1.测试结果在区域外的芯片也会出售,测试厂听fabless的.解决1代问题:去掉lead frame,用基板代替.Step.3.打线.PTI力成例.基板

7、有自己的一些电路,将导线引到下面的焊点上.用金线(或铜/铝)将芯片的pad和lead frame连接起来.天水华天Step.4.注塑(塑封)通富微电KYEC 京元电子2.减少测试项(省钱).UTEC 联合科技3.不完整芯片的测试(晶圆边缘).Step.5.包装(打logo,去除多余塑封材料)南茂科技4.骗国家大基金(主要在测试厂).问题:芯片最终比实际大很多,因为lead frame和芯片之间有距离.foundry完成代工后,将整片晶圆交给封测厂,按测试时间收费.测试技术测试技术Integrated Device Manufacture集成器件制造集成器件制造,IDM初期半导体公司均为IDM,

8、张忠谋离开德州仪器建立台积电.代工的出现降低半导体产业门槛,大量fabless涌入半导体行业.封装测试封装测试市占率19.2%15.0%11.9%9.9%4.3%61H182017789358275798470926874174371631252076.4%2美国389440633中国江苏28743233 12.5%2016 2017E change公司3.9%5中国台湾14991893 26.3%6中国甘肃8231056 28.3%7.0%4中国台湾262626842.2%1中国台湾48963.3%2.5%2.5%2.2%9新加坡689674-2.2%10中国台湾5685964.9%7中国江

9、苏689910 32.0%8中国台湾6236758.3%87以色列1388125011%Pure-Play2017E属地66中国台湾1498127517%Pure-Play78中国大陆1395118418%Pure-Play460044104%IDM55中国大陆310129146%Pure-Play6060549510%Pure-Play33中国台湾489845827%Pure-Play20172016 change分类公司11中国台湾 32163 294889%Pure-Play23%3910471521%美国中国大陆8910231124757%24072390-1%188020509%美国

10、美国中国大陆16%6389922844%88097875-11%15414649366603%1012345673210124晶圆代工晶圆代工Foundry封装测试封装测试OSATPCB面板公司打板公司15406IDM36%13%3978545美国中国台湾美国62017E123印刷或者将各个芯片装到PCB板上.基础原理与产业结构半导体系列报告基础原理与产业结构半导体系列报告1707811%13846技术含量低,人力和财力消耗高.原子核外电子达到8电子稳定结构的方式辅助公司提供设计软件,cadence和synopsys最出名.前人总结好的、模块化的东西,买来直接用.设计公司设计公司Fabless

11、8稳定半导体,集成电路,芯片经常混用,注意语境.芯片Integrated Circuit,简称IC集成电路封装引脚最外层电子数(=8时最稳定)半导体硼硅磷硼硅磷半导体元素原理半导体元素原理4易失电子易得电子4CPU分类主要产品存储器主要半导体元素:硅,锗.主要半导体元素:硅,锗.芯片终端客户芯片终端客户3792532585IDMICsemi change公司属地美国美国32585change2017E2016近P型半导体型半导体/空穴型半导体空穴型半导体N型半导体型半导体/电子型半导体电子型半导体图例:8电子,已稳定7电子,不稳定正偏加入电压,产生电流正偏加入电压,产生电流最外层与原子核距离(

12、越远越易失电子)磷多出1个电子.电压方向相反,则相当于绝缘体电压方向相反,则相当于绝缘体远硅是半导体,电子不会自发运动.1H18公司属地韩国美国韩国中国台湾美国美国美国日本美国美国177541631215406798477177346914462436243IDMfablessfoundryIDMIDMfabless9%3%25%12%将连接好的芯片和lead frame放到模具中,将塑封材料加热至液体,把芯片,金线和lead frame都包住.优点:批量操作,成本特别低;最省面积,主流的封装方式,用在高端产品上.bump的过程最为关键.FanIn2代技术pin角增多,芯片面积不够焊点(右图)

13、.解决批量生产问题,可直接用晶圆封装.正面朝下,重置pad布局(RDL,re-distribution layer).InFO-PoP结构Fan-out右图封装技术只用在高端芯片中,eg.苹果A12等,很贵.台积电封装业务的很大部分盈利都是靠InFO.封装技术封装技术Tot IC1606574272524920172016属地22美国44韩国整片晶圆放入机台测试,所有测试程序通过probe card(针卡)传输到晶圆上.将合格芯片在晶圆上标记出来(blue tape),切割为单独芯片,封装成黑盒子(有引脚).将一堆黑盒子芯片分别装入socket(类似插座),再将socket装进board.将b

14、oard放在测试机台上,机台将需要的电压电流加到board接口上.fabless将芯片安装在系统板上,抽样测试,检查芯片是否符合所需参数.测试参数范围1,10,1-10卖给A手机厂,10-15卖给B手机厂,15-20卖给C手机厂.价格依次降低,芯片只要能用,都是骁龙845.该手法主要用在功耗参数上.测试环节设计公司设计公司通过辅助设计软件和foundry提供的晶体管模型,设计出功能,功耗,面积,性能都符合要求的芯片.晶圆代工晶圆代工存储器存储器存储器MCU,ADC,DAV.53%56%12%45%fablessIDMCMOS(Complementary Metal Oxide Semicond

15、uctor,互补金属氧化物半导体互补金属氧化物半导体)(NMOS和和PMOS做结合做结合CMOS)给MOS布线现代IC设计中,CMOS是最基本的单元CMOS原理原理CMOS的主要参数的主要参数Step.1.制作制作VIA(通孔通孔)铺光阻,曝光.结束后如下.例.1芯片上集成了10亿个晶体管.类比水龙头二氧化硅厚度 在MOS上盖一层SiO2(通过CVD产生).一个最基本的CMOS就是一个晶体管.二氧化硅决定阀值电压和沟道电流大小.以水龙头为例解释基本原理沟道电流的大小螺纹电子流方向栅,漏,源的电压关系给所有结构加个载体决定CMOS处于什么工作状态.水流方向二氧化硅沟道:红色部分.源端:水流的源头

16、.阀值电压:电子流刚到漏端的栅端电压.漏端:水流出去的地方.截止区:完全没有电流状态.栅端:上面控制水流的开关.线性区:很小电流状态.螺纹:控制水流的大小.饱和区:电流充足状态.CMOS制作流程制作流程 除去光阻.foundry从硅片供应商拿晶圆.制作制作Well和反型层制作二氧化硅(相当于螺纹)和反型层制作二氧化硅(相当于螺纹)从上向下看well通过离子植入离子植入(Ion Implantation,简称imp)方式进入衬底.炉管氧化法炉管氧化法制作NMOS,植入P型well;制作PMOS,植入N型well.以NMOS为例:离子植入的机器通过将需要植入的P型元 将多余镀膜磨掉.反型层:控制沟道电流和阀值电压的大小.反型层:控制沟道电流和阀值电压的大小.子 張子 張做NMOS,反型层植入的是P型离子;沐 涔沐 涔做PMOS,反型层植入的是N型离子.Poly和SiO2的曝光确定特定位置的水龙头结构.确定特定位置的水龙头结构.先在wafer表面铺一层光刻胶,也叫光阻.Poly和SiO2的刻蚀栅端栅端Poly的形成的形成Step.2.金属层制作金属层制作定向刻蚀:把多余的Poly和SiO2刻