医疗器械企业大科普：最全面的半导体晶圆工艺介绍

2024-10-10 14:35:44

　　。 光学器件包括LED 发光二极管、 LD 激光二极管、 PD 光接收器等。 电子器件包括 PA 功率放大器、 LNA低噪声放大器、射频开关、数模转换、微波单片 IC、功率半导体器件、霍尔元件等。 对于GaAs 材料而言， SC GaAs（单晶砷化镓） 主要应用于光学器件， SI GaAs（半绝缘砷化镓）

　　光学器件中， LED 为占比最大一项， LD/PD、 VCSEL 成长空间大。 Cree 大约 70%收入来自 LED，其余来自功率、射频、 SiC 晶圆。 SiC 衬底 80%的市场来自二极管，在所有宽禁带半导体衬底中， SiC 材料是最为成熟的。不同化合物半导体材料制造的 LED 对应不同波长光线： GaAs LED 发红光、绿光， GaP 发绿光， SiC 发黄光， GaN 发蓝光，应用 GaN蓝光 LED 激发黄色荧光材料可以制造白光 LED。此外 GaAs 可制造红外光 LED，常见的应用于遥控器红外发射， GaN 则可以制造紫外光 LED。 GaAs、 GaN 分别制造的红光、蓝光激光发射器可以应用于 CD、 DVD、蓝光光盘的读取。

　　医疗器械企业

　　电子器件中，主要为射频和功率应用。 GaN on SiC、 GaN 自支撑衬底、 GaAs 衬底、GaAs on Si 主要应用于射频半导体（射频前端 PA 等）； 而 GaN on Si 以及 SiC 衬底主要应用于功率半导体（汽车电子等）。

　　GaN 由于功率密度高，在基站大功率器件领域具有独特优势。 相对于硅衬底来说， SiC衬底具有更好的热传导特性，目前业界超过 95%的 GaN 射频器件采用 SiC 衬底，如 Qorvo采用的正是基于 SiC 衬底的工艺，而硅基 GaN 器件可在 8 英寸晶圆制造，更具成本优势。在功率半导体领域， SiC 衬底与 GaN on Silicon 只在很小一部分领域有竞争。 GaN 市场大多是低压领域医疗器械企业，而 SiC 在高压领域应用。 它们的边界大约是 600V。

　　智能手机核心芯片涉及先进制程及化合物半导体材料， 国产率低。 以目前国产化芯片已采用较多的华为手机为例可大致看出国产芯片的“上限” 。

　　CPU 目前华为海思可以独立设计，此外还包括小米松果等 fabless 设计公司， 但由于采用 12 英寸最先进制程，制造主要依赖中国台湾企业； DRAM、 NAND 闪存国内尚无相关公司量产；前端 LTE 模块、 WiFi 蓝牙模块采用了 GaAs 材料， 产能集中于 Skyworks、 Qorvo 等美国 IDM 企业以及稳懋等中国台湾代工厂，中国大陆尚无砷化镓代工厂商；射频收发模块、 PMIC、音频 IC 可做到海思设计+foundry 代工，而充电控制 IC、 NFC 控制 IC 以及气压、陀螺仪等传感器主要由欧美 IDM厂商提供。总体来看智能手机核心芯片国产率仍低，部分芯片如 DRAM、 NAND、射频模块等国产化几乎为零。

　　以主流旗舰手机 iPhone X 为例可以大致看出中国大陆芯片厂商在全球供应链中的地位。 CPU 采用苹果自主设计+台积电先进制程代工， DRAM、 NAND 来自韩国/日本/美国 IDM厂商；基带来自高通设计+台积电先进制程代工；射频模块采用砷化镓材料，来自 Skyworks、Qorvo 等 IDM 厂商或博通+稳懋代工；模拟芯片、音频 IC、 NFC 芯片医疗器械企业、触控 IC、影像传感器等均来自中国大陆以外企业，中国大陆芯片在苹果供应链中占比为零。而除芯片、屏幕以外的零部件大多有中国大陆供应商打入，甚至部分由大陆厂商独占。由此可见中国大陆芯片企业在全球范围内竞争力仍低。

　　通信基站对国外芯片依赖程度极高，且以美国芯片企业为主。 目前基站系统主要由基带处理单元（BBU）及射频拉远单元（RRU）两部分组成， 通常一台 BBU 对应多台 RRU 设备。 相比之下， RRU 芯片的国产化程度更低，对于国外依赖程度高。

　　这其中主要难点体现在 RRU 芯片器件涉及大功率射频场景，通常采用砷化镓或氮化镓材料，而中国大陆缺乏相应产业链。

　　美国厂商垄断大功率射频器件。 具体来看， 目前 RRU 设备中的 PA、 LNA、 DSA、 VGA等芯片主要采用砷化镓或氮化镓工艺，来自 Qorvo、 Skyworks 等公司，其中氮化镓器件通常为碳化硅衬底，即 GaN on SiC。 RF 收发器、数模转换器采用硅基及砷化镓工艺，主要厂商包括 TI、 ADI、 IDT 等公司。以上厂商均为美国公司，因而通信基站芯片对美国厂商依赖性极高。

　　汽车电子对于半导体器件需求以 MCU、 NOR Flash、 IGBT 等为主。 传统汽车内部主要以 MCU 需求较高，包括动力控制、安全控制、发动机控制、底盘控制、车载电器等多方面。新能源汽车还包括电子控制单元 ECU、功率控制单元 PCU、电动汽车整车控制单元 VCU、混合动力汽车整车控制器 HCU、电池管理系统 BMS 以及逆变器核心部件 IGBT 元件。

　　此外在以上相关系统以及紧急刹车系统、胎压检测器、安全气囊系统等还需应用 NOR Flash 作为代码存储。 MCU 通常采用 8 英寸或 12 英寸 45nm~0.15μm 成熟制程， NOR Flash 通常采用 45nm~0.13μm 成熟制程，国内已基本实现量产。

　　智能驾驶所采用半导体器件包括高性能计算芯片及 ADAS 系统。 高性能计算芯片目前采用 12 英寸先进制程，而 ADAS 系统中的毫米波雷达则涉及砷化镓材料，目前国内尚无法量产。

　　AI 芯片与矿机芯片属于高性能计算，对于先进制程要求较高。 在 AI 及区块链场景下，传统 CPU 算力不足，新架构芯片成为发展趋势。当前主要有延续传统架构的 GPU、 FPGA、ASIC（TPU、 NPU 等）芯片路径， 以及彻底颠覆传统计算架构，采用模拟人脑神经元结构来提升计算能力的芯片路径。 云端领域 GPU 生态领先，而终端场景专用化是未来趋势。

　　根据 NVIDIA 与 AMD 公布的技术路线 年 GPU 将进入 12nm/7nm 制程。 而目前 AI、矿机相关的 FPGA 及 ASIC 芯片也均采用了 10~28nm 的先进制程。国内厂商涌现了寒武纪、深鉴科技、地平线、比特大陆等优秀的 IC 设计厂商率先实现突破，而制造则主要依靠台积电等先进制程代工厂商。

　　现阶段国产化程度低， 半导体产业实际依靠全球合作。 尽管我国半导体产业目前正处于快速发展阶段，但总体来看存在总体产能较低， 全球市场竞争力弱，核心芯片领域国产化程度低， 对国外依赖程度较高等现状。 我国半导体产业链在材料、设备、制造、设计等多个高端领域对国外高度依赖，实现半导体产业自主替代需经历较漫长道路。

　　根据 IC Insight 数据显示， 2015 年我国集成电路企业在全球市场份额仅有 3%，而美国、韩国、日本分别高达54%/20%/8%。 事实上，即便是美国、 韩国、 日本也无法达到半导体产业链 100%自产。例如在先进制程制造的核心设备光刻机方面依然依赖荷兰 ASML 一家企业。更多参与全球分工，在此过程中逐渐提升国产化占比，是一条切实可行的半导体产业发展道路。

　　中国大陆芯片下游需求端终端市场全备，供给端有望向中国大陆倾斜。 （1） 需求端：下游终端应用市场全备，规模条件逐步成熟。随着全球终端产品产能向中国转移，中国已经成为全球终端产品制造基地， 2017 年中国汽车、智能手机出货量占全球比重分别达 29.8%、33.6%。芯片需求全面涵盖硅基、化合物半导体市场，芯片市场空间巨大。（2）供给端：当前中国大陆产值规模居前的 IC 设计、晶圆代工、存储厂商寥寥数计，技术水平尚未达到领先水平，中高端芯片制造、化合物半导体芯片严重依赖进口。随着近些年终端需求随智能手机等产业链而逐渐转移至中国大陆，需求转移或拉动制造转移，下游芯片供给端随之开始转移至大陆。

　　国内政策加速半导体行业发展。 近年来我国集成电路扶持政策密集颁布， 融资、税收、补贴等政策环境不断优化。 尤其是 2014 年 6 月出台的《国家集成电路产业发展推进纲要》 ，定调“设计为龙头、制造为基础、装备和材料为支撑”，以 2015、 2020、 2030 为成长周期全力推进我国集成电路产业的发展：目标到 2015 年，集成电路产业销售收入超过 3500 亿元；到 2020 年，集成电路产业销售收入年均增速超过 20%； 到 2030 年，集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，实现跨越发展。

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　　由于在10nm制程上遇到问题，英特尔正在努力保持14nm晶圆供应，并且采取第一项措施来避免硅短缺。英特尔选择了不同的工艺生产大批量的硅片，首先获得此待遇的是英特尔芯片组芯片。英特尔目前重新启用22nm节点生产H310芯片组，减轻了14nm硅的供应紧张，H310是英特尔第8代和第9代处理器最简单和最低端的芯片组，并且广泛用于大量的办公室和消费者PC，由于对机载通信的要求较低，可扩展性有限。这款便宜的芯片组占据了英特尔14nm制程生产线C和H310芯片组照片，尺寸差异很明显。H310C芯片组采用sSpec srcXT，据称尺寸为10mm x 7mm

　　晶圆（wafer） 是制造半导体器件的基础性原材料。 极高纯度的半导体经过拉晶、切片等工序制备成为晶圆，晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、测试成为芯片，广泛应用到各类电子设备当中。 晶圆材料经历了 60 余年的技术演进和产业发展，形成了当今以硅为主、 新型半导体材料为补充的产业局面。半导体晶圆材料的基本框架20 世纪 50 年代，锗（Ge）是最早采用的半导体材料，最先用于分立器件中。集成电路的产生是半导体产业向前迈进的重要一步， 1958 年 7 月，在德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司，杰克·基尔比制造的第一块集成电路是采用一片锗半导体材料作为衬造的。半导体产业链流程但是锗器件的耐高温和抗辐射性

　　中国至少已浮出三家晶圆厂将采用SOI工艺先进制程。根据MarketsandMarkets 最新预估，SOI市场在2022年市场价值将达18.6亿美元，2017-2022年期间平均复合成长率将达29.1%。其中，亚太区晶圆厂将是主力客户。下面就随半导体小编一起来了解一下相关内容吧。SOI之所以能快速增长，主要来自消费类电子市场增长、成本下降以及芯片对于低工耗功能的需求快速攀升。尤其来自12吋晶圆的需求将于2022成为SOI最大的市场。许多亚太区客户正在大量采用SOI工艺制程生产芯片，其芯片还涵盖消费类芯片、智能手机客户以及资通讯预料也是SOI在2017-2022年之间成长最快的市场。IC客户博通(Broadcom)、 Qorvo

　　中国至少已浮出三家晶圆厂将采用SOI工艺先进制程。根据MarketsandMarkets 最新预估，SOI市场在2022年市场价值将达18.6亿美元，2017-2022年期间平均复合成长率将达29.1%。其中，亚太区晶圆厂将是主力客户。SOI之所以能快速增长，主要来自消费类电子市场增长、成本下降以及芯片对于低工耗功能的需求快速攀升。尤其来自12吋晶圆的需求将于2022成为SOI最大的市场。许多亚太区客户正在大量采用SOI工艺制程生产芯片，其芯片还涵盖消费类芯片、智能手机客户以及资通讯预料也是SOI在2017-2022年之间成长最快的市场。IC客户博通(Broadcom)、 Qorvo、高通( Qualcomm)、Murata

　　今年8月Intel宣布俄勒冈的D1X工厂开始向450mm晶圆工艺升级，只是目前的大环境对PC并不利，而且Intel昨天表示Broadwell处理器都要延期生产，这些利空导致很多人对Intel的450mm晶圆大业的前景保持怀疑。但是，在最近的财报会议上，CEO卡兹安尼克对此正式作出回应，称Intel 450mm晶圆工艺的计划正如期进行，并没有任何改变，预计将在这个十年内的后五年应用。 目前的晶圆厂主要使用的还是300mm和200mm晶圆，下一个目标就是450mm晶圆了，但是450mm晶圆技术难度非常大，还需要新一代的EUV光刻工艺配合，整个半导体业界还处于技术研发阶段，这也就不得不让人对其前景产生怀疑了。不过，这次intel

　　低关键的核心器件的品质。本文将不对此进行讨论。 现在，所有需要关注的问题似乎都已经有所涉及。不过，晶圆离开晶圆厂后，工艺开发人员的工作并不算完。评估后续的结果至关重要。由于磨薄后的晶圆和封装模塑料产生的应力，晶圆厂获得的性能可能会在晶圆磨薄和IC封装工艺过程中轻易地失去。因此，必须密切关注这类问题，以便减轻这些有害的影响。要达到这个目的，可以采用聚酰亚胺等应力释放层或者其它技术，比如在晶圆磨薄前在硅工艺结束时采用这些技术，或者在封装过程中采用这些技术。 采用晶圆厂的专用模拟COMS工艺 电子设计人员不再需要仅依靠模拟IDM获取高性能模拟CMOS性能来实现其产品的差异化。产品制造商以及无晶圆厂企业现在可以通过世界级的专业

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