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迷你晶圓廠橫空出世 晶片產業格局或生變
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晶片設計重要還是製造重要,等日本的這項“黑科技”出來後或許就有答案了。
橫空出世的“迷你”晶圓廠
我們知道,台積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB),每個月可生產超過10萬片12寸晶圓,而每座晶圓廠造價高達3千億新臺幣(約合610億人民幣)。但今年4月1日,日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab),瞄準物聯網時代小量、多樣的感測器需求,起價卻只要5億日元(0.3億元人民幣)。《日經商業週刊》稱之為:“顛覆全球半導體業界的製造系統”。

這個由經濟產業省主導,由140家日本企業、團體聯合開發的新世代製造系統,目標是透過成本與技術門檻的大幅降低,讓汽車與家電廠商能自己生產所需的半導體及感應器。形同推翻台積電董事長張忠謀30年前所創的晶圓代工模式,重回早年飛利浦、Sony等大廠都自己生產半導體的垂直整合時代。

販賣這種生產系統的,是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每台外型流線、美觀的製造機台,大小約與飲料自動販賣機差不多,但各自具備洗淨、加熱、曝光等功能。每一台機器,都相當於一條半導體製造的生產線。一條“迷你晶圓廠”產線,所需的最小面積是大約是兩個網球場的大小。也僅是一座12寸晶圓廠的百分之一面積。

“迷你晶圓廠”能夠做到如此廉價、體積小,首先是挑戰業界常識的創新做法──不需要無塵室。

半導體晶片上如果沾有超過0.1微米的灰塵就算是不良品,為此,製造室內一定要保持超高潔淨度。維持無塵室需要大量的電力,因此不只投資金額很高、維持費用也相當驚人。所以半導體不大量生產的話,很難獲利。

產業技術總合研究所的原史朗挑戰了這項業界的常識。“半導體工廠真的需要無塵室嗎?明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已。”抱持著這項疑問,原史朗從 1990 年代開始構想“迷你晶圓廠”。

幾年後,原史朗終於開發出局部無塵化的關鍵技術,並將此成果制出特殊運輸系統“Minimal Shuttle”。利用電磁鐵控制開關,幾乎不會有灰塵進入。

“迷你晶圓廠”的另一個特點,是不需要用到光罩,這又可大幅降低成本。Minimal Fab的概念,就是那樣的時代十分需要的多種少量生產系統。要處理的晶圓大約直徑0.5英寸,比1日元硬幣還要小。因為晶圓很小,所以生產設備也要跟著變小。

晶片從晶圓上切割下來,大約1平方公分大小。“迷你晶圓廠”的年產量大約是50萬個,一般的12寸晶圓廠則是兩億個。如果只生產1萬個,市面上每一晶片要收1萬日元,但“迷你晶圓廠”只要收1,200日元。

這項“迷你晶圓廠”的研發計畫,源自2010年。從2012年開始的3年內,獲得經濟產業省的預算,計畫也隨之通過。現在包含許多製造大廠在內,共140間企業團體參與。雖然是由橫河解決方案在銷售,可是參與開發製造的日本中小企業大約有30間,這也是該設備的一大特色之一。

目前“迷你晶圓廠”的半導體前段制程所需的設備,已經大致研發完畢,開始正式銷售。預計2018年以前,切割晶片功能與封裝等的後段制程設備也會開發完成。

目前晶片產業的格局
“迷你晶圓廠”的出現,將會對現有的晶片產業提出了挑戰。現有的晶片產業,設計與製造兩個環節基本分開,當然也有少量的集設計、製造於一體的垂直整合模式的晶片企業。

一、晶片設計—晶圓代工模式
由於半導體器件製造耗資極高,將積體電路產業的設計和製造兩大部分分開,使得無廠半導體公司可以將精力和成本集中在市場研究和電路設計上。而專門從事晶圓代工的公司則可以同時為多家無廠半導體公司提供服務,盡可能提高其生產線的利用率,並將資本與營運投注在昂貴的晶圓廠。“無廠半導體公司-晶圓代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·馮德施密特(Bernie V. Vonderschmitt)和C&T的戈登·A.坎貝爾(Gordon A.Campbell)所提出。

二、垂直整合模式
與“無廠半導體公司-晶片外包代工模式”相對的半導體設計製造模式為“垂直整合模式”(英語:IDM, Integrated Design and Manufacture),即一個公司包辦從設計、製造到銷售的全部流程,需要雄厚的運營資本才能支撐此營運模式,如英特爾、三星等。

兩種模式各有優勢
對比來說,晶片產業的兩種模式各有優劣,具體選擇以哪種商業模式主要看市場的需求,而對企業來說,最優的選擇當然是能為自己帶來最大效益的模式。

晶片設計—晶圓代工模式
這種模式的好處很明顯了,負擔很輕,自己只管設計就行了,不用耗費钜資去興建晶圓廠、開發新工藝,但壞處同樣很突出:你設計出來了,能否造出來、即便造出來又是個什麼樣子你就無法做主了,得看代工夥伴的能耐。這方面的教訓當然很多:前些年台積電40/28nm兩代工藝最初都很不成熟,產能也是遲遲上不來,讓整個行業為之拖累。

再比如說之前GlobalFoundries 32nm工藝沒有達到AMD的預期水準,第一代FX/APU處理器的頻率和電壓就跟設計得差很多,而當時的28nm工藝也比預想中的遲,迫使AMD一度放棄了整整一代的低功耗APU,不得不重新設計再去找台積電。

垂直整合模式
目前晶片產業選擇用垂直整個模式的企業最具代表的就是英特爾與三星兩家。這種模式的好處就是可以使公司的業務涉及到整個晶片產業,這能給公司帶來大量的資產與營收,目前英特爾與三星的營業收入牢牢地佔據著整個晶片產業的前兩位元就很好的說明瞭這一點,此外,因為設計的晶片由自己來生產監督,可以更好的保障晶片的品質,而且,相比於採用代工生產的晶片可以有更多的降價空間,以保證競爭力。

但是,垂直整個模式對於企業的技術與投入要求相當大,因為晶元製造廠的成本投入很高,需要的生產管理人員也很多,這些都極大的增加了企業的成本,所以,即使像英特爾這樣的行業壟斷型企業其最終的利潤率也就維持在20%左右,遠低於台積電、高通30%~40%的淨利率。

為什麼說日本“迷你”晶圓廠能改變晶片的產業格局
日本此項“迷你”晶圓廠技術的出現,或許會逐漸改變整個晶片產業的現狀。目前,晶片產業的兩種模式雖然並存,但總的來說也是相安無事,但是,隨著技術的進步以及市場環境的改變,將會形成新的產業格局。

晶片生產工藝的物理極限
對比晶圓製造廠家的技術水準一個很重要的指標就是XX納米的工藝。因為將電晶體做的越小,晶片的集成度就越高,相應的性能也就越高。目前,台積電、聯電、三星等等廠家的製造工業均已達到14nm級別了,而10nm甚至7nm的製造工藝也在規劃中。但是,從物理結構來說,晶片的製造工藝也越來越接近極限,工藝的提升空間也會越來越小。以製造工藝保持競爭力的晶圓代工廠商未來的路便會顯得越來越窄。

市場格局方面
目前,整個市場也在逐漸的改變,最主要的是從集中變為分散,因為,從需求上來說,人們對於電子產品的個性化需求越來越強,這便要求作為電子產品的核心元件——晶片無論是種類還是性能都要有多樣性。這種分散式的需求,或許會催生更多的晶片廠家去進行晶片的設計與製造,而不僅僅是由一些大型的晶元代工企業進行生產。

“迷你晶圓廠”技術的出現,能夠極大的降低晶片製造的成本,這為眾多的電子廠商提供了晶片製造的便利。
其實晶片設計環節的門檻並沒有想像中的高,在大家的印象中,中國的晶片產業一直是一個傷痛,其實,近些年,中國晶片的設計產業發展的很快,晶片設計公司數量逐年增加,公司的規模也在不斷擴大,晶片設計產業的銷售額逐年增加,加上華為、聯想、小米這些公司已經具備了一定的晶片設計能力,與世界領先水準的差距不算太大。

那麼晶片製造呢?中國現在已經成為了全球最大的晶片消費市場,而中國每年在進口晶片上和進口石油上花的錢一樣多(2000億人民幣左右),中國本土的晶片製造商在技術和產能上都落後太多。
想想,“迷你晶圓廠”能夠普及,或許中芯、台積電等代工廠的好日子將會到頭了。
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