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浅看一下芯片半导体产业链

发布时间:2022-05-20 浏览:222次

目前全球半导体行业,处于新一轮景气周期上行阶段。而国内的半导体产业,不仅受到全球性大周期的影响,还有一条非常硬核的逻辑,就是国产替代。中国虽已经成为全球最大的半导体消费国,但我国的芯片自给率低,国产替代仍有很大的替代空间。

从需求端来看,受益于“万物互联+国产替代”以及新能源汽车的助攻,芯片需求全面拉升;供给端受疫情冲击以及制裁下扩产速度减慢。

半导体是电子产品的核心,信息产业的基石。

目前正在快速发展的第三代半导体材料碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)、氮化铝(AlN)、金刚石(C)等,主要面向新一代电力电子、微波射频和光电子应用,在新一代移动通信、新能源并网、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子、新一代显示等领域有广阔的应用前景,成为全球半导体产业发展新的战略高地。

我国的半导体材料和器件,长期依赖进口,其中高性能芯片完全依赖进口,受制于人的问题突出。除芯片设计与制造能力薄弱外,半导体单晶硅和大量辅助材料的国产化水平不足,进口依赖程度较高,如在电子气体、光刻胶和抛光材料等3种典型辅助材料领域,国内企业生产的产品市场占有率分别仅占30%、10%、10%,芯片关乎到国家安全,国产化迫在眉睫。

芯片产业链主要包括设计、制造、封装与测试三大环节与半导体设备及材料两大支柱产业。

芯片设计包括工具软件、设计公司

芯片制造包括制造厂、制造设备、材料与辅料

芯片封测包括封测厂、封测设备、辅材

设计业:虽然收购受限,但自主发展迅速,群雄并起,海思展讯进入全球前十。制造业:晶圆制造产业向大陆转移,大陆12寸晶圆厂产能爆发。代工方面,虽然与国际巨头相比,追赶仍需较长时间,但中芯国际28nm制程已突破,14nm加快研发中;存储方面,长江存储、晋华集成、合肥长鑫三大存储项目稳步推进。封测业:国内封测三强进入第一梯队,抢先布局先进封装。设备:国产半导体设备销售快速稳步增长,多种产品实现从无到有的突破,星星之火等待燎原。材料:国内厂商在小尺寸硅片、光刻胶、CMP材料、溅射靶材等领域已初有成效;大尺寸硅片国产化指日可待。

从晶体管诞生,再到集成电路。

把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构,这便是集成电路,也叫做芯片和IC。集成电路中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

以智能手机为例,诸如骁龙、麒麟、苹果A系列CPU为微元件,手机基带芯片和射频芯片是逻辑IC;通常所说的2G或者4G运行内存RAM为DRAM,16G或者64G存储空间为NANDflash;音视频多媒体芯片为模拟IC。以上这些统统是属于半导体的范畴。

半导体位于电子行业的中游,上游是电子材料和设备。半导体和被动元件以及模组器件通过集成电路板连接,构成了智能手机、PC等电子产品的核心部件,承担信息的载体和传输功能,成为信息化社会的基石。

半导体主要分为集成电路和半导体分立器件。半导体分立器件包括半导体二极管、三极管等分立器件以及光电子器件和传感器等。

集成电路可分为数字电路、模拟电路。一切的感知:图像,声音,触感,温度,湿度等等都可以归到模拟世界当中。很自然的,工作内容与之相关的芯片被称作模拟芯片。

除此之外,一些我们无法感知,但客观存在的模拟信号处理芯片,比如微波,电信号处理芯片等等,也被归类到模拟范畴之中。

比较经典的模拟电路有射频芯片、指纹识别芯片以及电源管理芯片等。数字芯片包含微元件(CPU、GPU、MCU、DSP等),存储器(DRAM、NANDFlash、NORFlash)和逻辑IC(手机基带、以太网芯片等)。

简单的讲,电子制造产业包括:原材料砂子-硅片制造-晶圆制造-封装测试-基板互联-仪器设备组装。

集成电路产业链主要为设计、制造、封测以及上游的材料和设备。

集成电路产业主要有以下特征:制造工序多、产品种类多、技术换代快、投资大风险高。

生产工序多:核心产业链流程可以简单描述为:IC设计公司根据下游户(系统厂商)的需求设计芯片,然后交给晶圆代工厂进行制造,这些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,由封装测试厂进行封装测试,最后将性能良好的IC产品出售给系统厂商。

具体来说,可以细分为以下环节:

IC设计:根据客户要求设计芯片

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:品牌厂或白牌厂的工程师和IC设计工程师接触,提出要求;逻辑设计:IC设计工程师完成逻辑设计图;电路布局:将逻辑设计图转化成电路图;布局后模拟:经由软件测试,看是否符合规格制定要求;光罩制作:将电路制作成一片片的光罩,完成后的光罩即送往IC制造公司。

IC制造:将光罩上的电路图转移到晶圆上

IC制造的流程较为复杂,过程与传统相片的制造过程有一定相似主要步骤包括:薄膜→光刻→显影→蚀刻→光阻去除。薄膜制备:在晶圆片表面上生长数层材质不同,厚度不同的薄膜;光刻:将掩膜板上的图形复制到硅片上。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3,耗费时间约占整个硅片工艺的40~60%;

IC封测:封装和测试

封装的流程大致如下:切割→黏贴→切割焊接→模封。切割:将IC制造公司生产的晶圆切割成长方形的IC;黏贴:把IC黏贴到PCB上;焊接:将IC的接脚焊接到PCB上,使其与PCB相容;模封:将接脚模封起来;

产品种类多,从技术复杂度和应用广度来看,集成电路主要可以分为高端通用和专用集成电路两大类。


高端通用集成电路的技术复杂度高、标准统一、通用性强,具有量大面广的特征。它主要包括处理器、存储器,以及FPGA(现场可编程门阵列)、AD/DA(模数/数模转换)等。

专用集成电路是针对特定系统需求设计的集成电路,通用性不强。每种专用集成电路都属于一类细分市场,例如,通信设备需要高频大容量数据交换芯片等专用芯片;汽车电子需要辅助驾驶系统芯片、视觉传感和图像处理芯片,以及未来的无人驾驶芯片等。

技术更新换代快。根据摩尔定律:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,从而要求集成电路尺寸不断变小。

芯片的制程就是用来表征集成电路尺寸的大小的一个参数,随着摩尔定律发展,制程从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、65纳米、45纳米、32纳米、28纳米、22纳米、14纳米,一直发展到现在的10纳米、7纳米、5纳米。

随着摩尔定律发展接近极限,集成电路的集成化越来越高,呈现出两种集成路径,一是moremoore,即在设计和制造端将多个功能的系统集成在一个芯片上,即SOC技术(Systemonchip),同时封测端发展出的FO-WLP技术正好可以用来封装SOC芯片;二是morethanmoore,即是在封测端将多个芯片封装成一个,即SIP技术(SysteminPackage)。

SIP是从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件。SiP有效地突破了SoC在整合芯片途径中的限制,极大地降低了设计端和制造端成本,也使得今后芯片整合拥有了客制化的灵活性。

​SIP封装并无一定形态,SIP封装可根据不同芯片排列方式与不同内部结合技术的搭配,生产定制化产品,满足客户定制化需求,例如采取多种裸芯片或模块进行平面式2D封装(MCM等)或3D(MCP、SatckDie、PoP、PiP等)封装,其内部的互连技术可以使用引线键合(WireBonding),也可使用倒装焊(FlipChip)或硅通孔(TSV)等,还可采用多功能性基板整合组件的方式,将不同组件内藏于多功能基板中(即嵌入式封装),最终实现功能整合。

展望未来,半导体产业除了传统3C及PC驱动外,物联网、5G、AI、汽车电子、区块链及AR/VR等多项创新应用将成为半导体行业长效发展的驱动力。


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