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『半導體產業』:晶片有如人腦般聰明,運用在人類 6 大領域,迎接智能新時代!

2月 2020年26
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(圖片來源:shutterstock)

 

半導體市場將在 2020 年回春

2019 年歷經中美貿易戰

全國經濟烏煙瘴氣的

從關稅、匯率操縱一路打到科技業

使半導體市場營收下降將近 13%

隨著下半年貿易衝突趨緩

半導體有望在 2020 年成長

 

根據國際半導體產業協會(SEMI)研究報告指出

記憶體相關支出力道強勁

以及中國大陸新增廠房而有所復甦

看好 2020 年半導體設備銷售成長 5.4%

 

半導體是導電性介於導體(金屬)與絕緣體(石頭)之間的物質

包括矽、鍺,由於矽有較大的縫隙能摻雜雜質

可用來製造重要的半導體電子元件—電晶體

 

電晶體的主要功能有放大信號、開關

電晶體就像數位訊號的收音機

收音機的原理是將微弱的訊號放大

用喇叭放出來

而電晶體能將訊號的電流放大

讓電流以特定方式通過

數億個電晶體裝在一張長寬約半公分大的晶片上

這片晶片就是大家耳熟能詳的『積體電路』

俗稱 IC(Integrated Circuit)

 

因應智能時代來臨

科技將改變人類生活模式

上文先大致介紹半導體是什麼

接著再詳細說明整個產業概況以及未來運用

 

以下本文將分成四大部分:

半導體製程:4 大步驟一目了然

積體電路分類:依功能區分 4 大類

半導體產業鏈營運模式:各種模式的利與弊

半導體運用領域:未來將用在這 6 大領域

 

半導體製程:4 大步驟一目了然

1. IC 設計:

預先規劃晶片的功能

功能包含算術邏輯記憶功能、 浮點運算、 數據傳輸

各功能分布在晶片上各區域

並製作所需的電子元件

工程師使用硬體描述語言(HDL)設計電路圖

在將 HDL 程式碼放入自動化電子設計工具(EDA Tool)

電腦把程式碼轉換成電路圖

 

2. 晶圓製造:

將矽純化、溶解成液態

從中拉成柱狀的矽晶柱

上面有一格一格的矽晶格

將電晶體放置在矽晶格上

矽晶格的排列是安裝電子元件的重要關鍵

矽晶柱拉起的速度溫度影響矽晶柱的品質

尺寸越大,技術難度就越高

12 吋晶圓廠也相對 8 吋晶圓廠製程更加先進

製程是技術,但良率才是最關鍵 Know-how

 

晶圓廠使用鑽石刀將整條矽晶柱切成薄片

經過拋光後就變成『晶圓』,也就是晶片的機板

灰塵對這些晶圓造成嚴重的威脅

故製造人員進入無塵室之前

皆需穿戴防塵衣、清洗身體採去預防措施

晶圓製造比手術是乾淨十萬倍

 

3. 光罩製作:

一大張電路設計圖

縮小並壓印到矽晶圓上

靠的就是光學原理

 

IC 設計圖以電子束刻在石英片上,成為光罩

將光罩上的設計圖縮小至晶圓上

與洗相片原理相同

『光罩』如同照相底片,而『晶圓』就像照片紙

預先將晶圓塗上一層光阻(相片感光材料)

透過紫外光照射與凸透鏡聚光效果

將光罩上的電路結構縮小並烙印在晶圓上

光罩上圖形的細緻度是影響晶片品質的關鍵

 

光刻製程結束後

工程師在晶圓上加入離子

透過注入雜質到矽的結構中控制導電性

與一連串的物理過程

製造出電晶體

 

待晶圓上的電晶體、二極體等電子元件製作完成後

將銅倒入凹槽中形成精密的接線

使許多的電晶體連起來

 

4. 封裝與測試:

晶圓完成後送到封裝廠

會切割成一片一片的裸晶

由於裸晶小而薄

非常容易刮傷

故將裸晶安裝在導線架上

外面裝上絕緣的塑膠體或陶瓷外殼

印上委託製造公司的標誌

 

最後進行晶片測試

將不良品挑出

晶片就此完成

 

積體電路(IC)分類:依功能區分 4 大類

1. 記憶體 IC:

主要是用來儲存資料的原件

通常用於電腦、電視遊樂器、電子辭典等等

像是 DRAM、SRAM、NAND Flash 皆屬於記憶體 IC

 

2. 邏輯 IC:

主要是處理數位訊號(0 與 1)為主

產品包含中央處理器(CPU)、微處理器(MPU)、圖形處理器(GPU)

 

3. 微元件 IC:

主要的功能在於負責 CPU 的周邊設備以及其他零組件的溝通任務

擅長處理複雜的邏輯運算

以數位或文字資料為主

 

4. 類比IC:

主要處理有關類比信號的 IC

因能耐高壓、耐大電流

所以主要運用在電源供應器、數位類比轉換器等

 

半導體產業鏈營運模式:各種模式的利與弊

早期半導體公司多是從 IC 設計、製造、封裝、測試一手包辦

由於摩爾定律的關係

晶片設計日趨複雜花費也越來越高

單獨一家半導體公司無法負荷從上游到下游的高額研發、製作費用

到了 1980 年末期

半導體產業逐漸走向專業分工模式

創造更大的利潤提升產品穩定性

 

 

※ 摩爾定律

由 Intel 創始人之一 Gordon Earle Moore 提出

積體電路上可容納的電晶體數目

約每隔18個月便會增加一倍

性能也將提升一倍

 

依業務性質半導體產業主要分為以下 4 種經營模式:

1. 整合元件製造商(IDM) 模式:

集結晶片設計、製造、封裝、測試、銷售等多個產業鏈環節

需要雄厚的營運資本才能支撐此營運模式

故目前僅有少數大廠能維持

 

2. 代工廠(Foundry) 模式:

只需負責製造、封裝、測試其中環節

可以同時為多家設計廠商服務

但受限於供應商的競爭

需特別留意客戶機密技術外洩情形

代工廠的主要競爭力來自於規模化生產、生產管控

 

3. 無廠 IC 設計商(Fabless)模式:

只負責晶片電路設計、銷售

將生產、封裝、測試外包

起初資金規模不大

進入門檻相對低

 

4. 晶片設計服務提供商(Design Service)模式:

為晶片設計公司提供相對應工具、電路設計架構、諮詢服務等

不設計、銷售晶片

而是販售智慧財產權—設計圖

又稱矽智財(SIP)

 

半導體運用領域:未來將用在這 6 大領域

根據國際半導體產業協會說法

半導體未來主要運用在智慧運輸、智慧醫療、智慧數據、智慧製造、綠色製造和先進製造

運輸、工業製造是最主要的兩大動能

智慧車輛駕駛輔助安全系統等級越來越高

藉由後端 AI 晶片運算

從接收感測訊號,經由運算分析

再傳達至車輛動力系統

可完成安全迴避和抵達目的地的需求

實現全自動化駕駛願景

 

工業製造從數位化演進成全自動生產

引入物聯網系統到生產管理系統中

推動工業智慧製造新時代

帶動整體半導體市場需求

 

在未來 5G、AI 與半導體產業息息相關

5G 時代來臨帶動整個半導體周邊商品

如 5G 智慧型手機市場需求近 2 億台

將帶起另一波換機潮

而 AI 智能需透過大量運算效能

使晶圓技術需不斷推陳出新

以適應科技變化快速

未來半導體產業有望另創高峰

 

下篇再向大家介紹 1 間半導體公司

股價在近 4 年翻了 20 倍

請大家拭目以待

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