在上篇文章半導體種類中,我們已大致介紹半導體的種類了,包括分離式半導體、光電半導體、積電電路(IC)等。這篇要討論的重點則是半導體產業從上游到下游到底在做些什麼。先來看一下關聯圖:

 

半導體產業鏈  

圖片來源:自製

 

我們先從大方向了解,之後再局部解說。

半導體產業最上游是IC設計公司矽晶圓製造公司IC設公司計依客戶的需求設計出電路圖,矽晶圓製造公司則以多晶矽為原料製造出矽晶圓。中游的IC製造公司主要的任務就是把IC設計公司設計好的電路圖移植到矽晶圓製造公司製造好的晶圓上。完成後的晶圓再送往下游的IC封測廠實施封裝與測試,即大功告成囉!

 

局部解說開始!

 

(1)矽晶圓製造

半導體產業的最上游是矽晶圓製造。事實上,上游的矽晶圓產業又是由三個子產業形成的,依序為矽的初步純化多晶矽的製矽晶圓製造

 

矽的初步純化:

將石英砂(SiO2)轉化成冶金級矽(矽純度98%以上)。

 

石英砂  

石英砂。資料來源:農村信息網

 

冶金矽  

冶金級矽。資料來源:Jimmybook

 

多晶矽的製造:

將冶金級矽製成多晶矽。這裡的多晶矽可分成兩種:高純度(99.999999999%,11N)與低純度(99.99999%,7N)兩種。高純度是用來製做IC等精密電路IC,俗稱半導體等級多晶矽;低純度則是用來製做太陽能電池的,俗稱太陽能等級多晶矽

 

多晶矽   

多晶矽。資料來源:太陽能單多晶矽材料

 

矽晶圓製造:

將多晶矽製成矽晶圓。矽晶圓又可分成單晶矽晶圓多晶矽晶圓兩種。一般來說,IC製造用的矽晶圓都是單晶矽晶圓,而太陽能電池製造用的矽晶圓則是單晶矽晶圓與多晶矽晶圓皆有。一般來說,單晶矽的效率會較多晶矽高,當然成本也較高。

 

矽晶圓  

矽晶圓。資料來源:台灣研準股份有限公司

 

(2)IC設計

前面提到矽晶圓製造,投入的是石英砂,產出的是矽晶圓。IC設計的投入則是「好人」們超強的腦力(和肝),產出則是電路圖,最後製成光罩送往IC製造公司,就功德圓滿了!

不過,要讓理工科以外的人了解IC設計並不是件容易的事(就像要讓念理工的人了解複雜的衍生性金融商品一樣),作者必需要經過多次外出取材才有辦法辦到。這裡先大概是一下觀念,請大家發揮一下你們強大的想像力!

簡單來講,IC設計可分成幾個步驟,依序為:規格製定邏輯設計電路布局布局後模擬光罩製作

 

規格製定:

品牌廠或白牌廠(沒有品牌的品牌廠)的工程師和IC設計工程師接觸,並開出他們需要的IC的規格給IC設計工程師(譬如說,第一個腳位和第二個腳位相加要等於第九個腳位)。討論好規格後,工程師們就開始快樂的工作囉!

 

邏輯設計:

藉由軟體的幫助,工程師們終於完成了邏輯設計圖了,來看一下:

 

邏輯圖二   

控制器邏輯圖,資料來源:這裡

 

所謂的「邏輯」設計圖,就是指它是由簡單的邏輯元件構成,而不是由半導體種類這篇提到的噁心的半導體電路元件(如二極體、電晶體等,忘記得去複習一下喔!)所構成。什麼是邏輯元件呢?像是AND Gate(故名思意,兩個輸入都是1的話,輸出才是1,否則輸出就是0),OR Gate(兩個輸入只要有一個輸入是1,輸出就是1)等。邏輯元件會在IC設計單元再和大家做進一步的介紹。

 

電路布局:

基本上,就是利用軟體的幫助,把友善的邏輯設計圖,轉化成噁心的電路圖。如圖:

 

電路圖  

積體電路圖。圖片來源:ddvip

 

大家應該很熟悉吧!裡面大部分都是我們在半導體種類是到的二極體和電晶體囉!

 

布局後模擬:

就是再經由軟體測試看看,結果是不是和當初「規格制定」是一樣的結果囉!

 

光罩製作:

電路完成後,再把電路製作成一片片的光罩就大功告成囉!完成後的光罩即送往IC製造公司。來看一下光罩長什麼樣子吧!

 

光罩  

光罩。圖片來源:這裡

 

(3) IC製造

IC製造的流程較複雜,但其實IC製造就只做一件事而已:把光罩上的電路圖轉移到晶圓上。它的過程其實和傳統相片的製造過程非常類似(當然,精密度差太多了)!你如果上網google一下「IC製造」,會看到很多火星文的資料,保證你看不懂那些流程到底代表什麼意思。

IC製造的步驟是這樣子的:薄膜→光阻→顯影→蝕刻→光阻去除,然後不斷的循環數十次。我們來看一下示意圖

 

IC製程   

IC製程。圖片來源:財報狗產業分析師Jeff

 

薄膜:

鍍上金屬(實際上不一定是金屬)

光阻:

在晶圓上塗上一層光阻(感光層)

顯影:

用強光透過「光罩」後照在晶圓上。這樣的話,除了「電路」該出現的部分,其餘光阻的部分是不是都照到光了?

蝕刻:

把沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕

光阻去除:

把上面的光阻去除,留下的薄膜部分就是電路圖了!(這裡假設電路圖就是「一長條」而已,實際情況當然較複雜囉!)

 

很簡單吧!當然,實際的過程沒那麼簡單。實際的情形是光罩是由好幾十層構成的,而每層需要的材質也不一樣。也就是說,薄膜那一層需用不同的材質。譬如說,SiO2。

有趣吧!以上都只是前菜,在「半導體製程」單元會有更詳細的介紹喔!

 

(4)IC封測

IC製造廠商完成的IC大致如下圖:

 

IC  

晶圓完成品。圖片來源:中國科普博覽

 

這一片片的晶圓完成品就被送往IC封測廠,實行IC的封裝與測試。

 

封裝:

封裝的流程大致如下:切割→黏貼→銲接→模封

先講一下觀念好了,來看個CPU吧!

 

CPU  

CPU。圖片來源:tom's hardware

 

圖片中央的就是CPU。CPU很大一個,但仔細看,中間那個金屬部分才是CPU裸晶(又稱晶粒,即未封裝前的IC)的真正大小喔!其餘的部分就是所謂的印刷電路板-PCB囉!

好!可以開始講IC封裝了!

 

切割:

第一步就是把IC製造公司送來的一片片晶圓切割成一顆顆長方形的IC囉!

黏貼:

把IC黏貼到PCB上

銲接:

故名思義,把IC的小接腳銲接到PCB上,這樣才和大PCB(如主機板)相容喔!

模封:

故名思義,就是把接腳模封起來。最近很hot的題材-BT樹脂,就是用在這裡喔!

 

 有感覺嗎?來看個圖就較清楚了:

 

封裝  

IC成品。圖片來源:電子工程專輯

 

如圖,中間的是晶粒,往外接到PCB上。

這樣就大致完成囉!詳細的封裝與測試流程圖,我們在IC封測單原會詳細介紹,敬請期待囉!

 

好不容易呀!終於介紹完一顆IC的大致生產流程了!下一篇要介紹的就是IC產業鏈最上游:矽晶圓產業介紹。矽晶圓製造除了和半導體產業有關,也和最近最熱門的太陽能產業有很大的關系,像是綠能、中美晶的公司都是生產矽晶圓的。記得要來看喔!

 

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