芯片产业链简介ppt课件.pptx
,芯片产业链简介,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,集成电路的定义 集成电路是将电阻、电容、二极管、三极管经过半导体工艺或薄、厚膜工艺制作在同一硅片上，并按某种电路形式互连起来，制成具有一定功能的电路。集成电路的特点 同分立元器件相比，集成电路具有体积小，重量轻，功耗低，性能好，可靠性高，成本低等特点，是目前电子产品和设备小型、便携式所必需的。 集成电路泛指所有的电子元器件，是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。它是 电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。,一、背景介绍,1.1 半导体集成电路的概念,芯片种类繁多，品种各异，可按不同方式进行分类。1.2.1 按照制造工艺分类 芯片按其制造工艺可分为半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路。用平面工艺（氧化、光刻、扩散、外延）在半导体晶片上制成的集成电路称为半导体集成电路，也称为单片集成电路。用薄膜工艺（真空蒸发、溅射）将电阻、电容等无源元件及相互连线制作在同一块绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有一定功能的电路，称为薄膜集成电路。用厚膜工艺（丝网印刷、烧结）将电阻、电容等无源元件及相互连线制作在同一块绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有一定功能的电路，称为厚膜集成电路。,1.2 集成电路分类,在实际应用中，多半是在无源膜电路上外加半导体集成电路或分立元件的二极管、三极管等有源器件，使之构成一个整体，这便是混合集成电路。,一、背景介绍,1.2.2 按照有源器件分类 芯片按有源器件可分为双极型集成电路、MOS型集成电路和双极-MOS（BIMOS）型集成电路等双极型集成电路是在半导体基片（硅或锗材料）上，利用双极型晶体管构成的集成电路，其内部工作时由空穴和自由电子两种载流子进行导电。MOS型集成电路只有空穴或自由电子一种载流子导电。它又可分为NMOS型集成电路、PMOS型集成电路和CMOS型集成电路三种。双极型-MOS型集成电路（BIMOS）是双极型晶体管和MOS电路混合构成的集成电路。一般前者作为输出级，后者作为输入级。双极型电路驱动能力强，但功耗较大，MOS电路则相反，双极型-MOS型集成电路兼有二者的优点。,一、背景介绍,1.2.3 按照集成度分类 芯片按其集成度可分为小规模集成电路，中规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路和极大规模集成电路。,*注：1.集成电路单个电路芯片集成的元件数,一、背景介绍,1.2.4 按照应用领域分类 芯片按照应用领域可分为军用品、民用品（又称商用）和工业用品三大类。由于军用品主要用在军事、航空、航天等领域，使用环境恶劣，装置密度高，对集成电路的可靠性要求极高，对价格的要求不太苛求。由于民用品主要用在人们的日常生活中，使用条件较好，只要能够满足一定的性能指标要求即可。但对价格要求较高，最大限度地追求高的性能价格比。这是产品能否占领市场的重要条件之一。工业用品介于二者之间。,一、背景介绍,1.2.5 按照功能分类 芯片按功能的分类如下：,半导体集成电路,数字电路,模拟电路,接口电路,特殊电路,TTL电路,HTL电路,ECL电路,CMOS电路,存储器,微型机电路,运算放大器,稳压器,音响电路,电视电路,非线性电路,电平转换器,电压比较器,线驱动接收器,外围驱动器,通信电路,机电仪电路,消费类电路,传感器,一、背景介绍,一块芯片的诞生大致会经历如下几个环节：原材料设计-晶圆制造-封装-测试。因此芯片核心产业链按可分为以下几块：1. 原材料2. 设计（Fabless）*3. 制造（Foundry）4. 封装5. 测试,*注：以美国为首的北约签订瓦森纳协议限定高科技（包括芯片）出口中国。一芯片ADC为例，合约中规定精度大于14bit（失真率1/16384）、100M不允许出口中国。,1.3 芯片产业链概述,一、背景介绍,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,11,芯片制造工艺简介：,二、芯片原材料介绍,硅提纯,切割晶圆,影印,蚀刻,重复分层,封装,多次测试,掩膜版,光刻胶、高纯化学试剂、靶材、化合物半导体,电子气体、抛光材料,12,晶圆（硅晶片） 晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅。晶圆的制造过程 硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。硅提炼及提纯,沙石原料,温度：2000，有C源存在的电弧熔炉,高温作用,C+SiO2（砂石中）化学反应C与O结合，剩下Si,纯度98%的纯硅,冶金级硅,粉碎冶金级硅,进行氯化反应,气态的HCI,投入,液态的硅烷,蒸馏、化学还原,99.999999999%的多晶硅,电子级硅,进一步提纯,二、芯片原材料介绍,单晶硅生长、晶圆成型,20102015年中国半导体制造用硅材料销售收入（亿元）,13,掩膜版 在半导体制造的整个流程中，其中一部分就是从版图到晶圆（wafer）制造中间的一个过程，即光掩膜或称光罩(mask)制造。这一部分是流程衔接的关键部分，是流程中造价最高的一部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。 掩膜版,二、芯片原材料介绍,掩膜版制作流程,14,光刻胶 光刻胶是光刻工艺的关键材料，又称光致抗蚀剂，它是一种对光敏感的有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。 光刻胶分类1、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类正胶：曝光前对显影液不可溶，而曝光后变成了可溶的，能得到与掩膜版遮光区相同的图形负胶：曝光前对显影液可溶，而曝光后变成了不可溶的，能得到与掩膜版遮光区不同的图形 20102015年我国光刻胶销售收入（亿元）,2、根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分传统光刻胶（正胶和负胶） 适用于紫外光（UV），I线365nm、H线405nm和G线436nm，关键尺寸在0.35um及其以上。化学放大光刻胶 适用于深紫外光（DUV），KrF准分子激光248nm和ArF准分子激光193nm。,二、芯片原材料介绍,15,高纯化学试剂 超净高纯试剂在国际上称为工艺化学品，是集成电路和超大规模集成电路制作过程中的关键性基础化工材料之一。高纯化学试剂用途用于硅圆片工艺加工过程中的硅片清洗。 硅圆片在进行工艺加工过程中，常常会被不同的杂志所玷污，因为各种玷污可引起IC芯片产率下降50%左右，为了获得高质量、高产率的集成电路芯片，必须去除硅圆片表面各类沾染物。用于芯片制造中涂胶前的湿法清洗和光刻过程中湿法蚀刻及最终的去胶。高纯化学试剂产品酸类产品 硝酸、盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸、过氧化氢、冰乙酸等碱类产品 氢氧化铵、氟化铵、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、胆碱等 腐蚀剂产品 20102015年我国高纯试剂企业销售收入（亿元） 氟化铵腐蚀液（BOE）、铝腐蚀液（PES）、硅腐蚀液（MAE）、混合酸（3F）、混合酸（4F）、铬腐蚀液、钼腐蚀液、镍银腐蚀液、钛腐蚀液、酸性剥离液等有机溶剂产品 甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、戊酮等其他产品 去毛剂、漂洗液、剥离液、光刻胶配套试剂、正胶显影液、负胶显影液、高纯清洗剂等。,二、芯片原材料介绍,16,电子气体 电子气体是发展集成电路、光电子、微电子，特别是超大规模集成电路、液晶显示器件、半导体发光器件和半导体材料制造过程中不可缺少的基础性支撑源材料，它被称为电子工业的“血液”和“粮食”，它的纯度和洁净度直接影响到光电子、微电子元器件的质量、集成度、特定技术指标和成品率，并从根本上制约着电路和器件的精确性和准确性。电子气体的分类按纯度等级分： 纯电子气体、高纯电子气体、半导体特殊材料气体按规模等级和使用场合分： 电子级、LSI（大规模集成电路）级、VLSI（超大规模集成电路）级、ULSI（特大规模集成电路）级 按纯度分 按规模等级分 20102015年我国电子气体企业销售收入（亿元）,二、芯片原材料介绍,17,抛光材料 化学机械抛光工艺是一个平坦化处理的过程，旋转的工件以一定的压力压在随工作台一起旋转的抛光垫上，由磨粒和化学氧化剂等配成的抛光液在晶片与抛光垫间流动，在工件表面产生化学反应，生成易于去除的氧化表面，再通过机械作用将氧化表面去除。最后，去除的产物被流动的抛光液带走，露出新的表面，若干次循环去除后最终获得均匀的平坦化晶圆表面。 抛光过程 抛光材料细分市场份额 抛光材料分类 20102015年我国抛光材料企业销售收入（亿元）,二、芯片原材料介绍,18,靶材 镀膜靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。 靶材 靶材分类 20102015年我国溅射靶材企业销售收入（亿元）,二、芯片原材料介绍,19,化合物半导体 由两种或两种以上元素材料以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的称为化合物半导体材料。,砷化镓一种重要的半导体材料。属III-V族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.6510-10m，熔点1237，禁带宽度1.4电子伏。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。,磷化铟性状：沥青光泽的深灰色晶体熔点：1070。闪锌矿结构，常温下带宽1.35eV。溶解性：极微溶于无机酸,磷化镓人工合成的化合物半导体材料。外观：橙红色透明晶体一种由n从族元素镓（Ga）与vA族元素磷（P）人工合成的m-V族化合物半导体材料,氮化镓一种具有较大禁带宽度的半导体，属于所谓宽禁带半导体之列。它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体,碲镉汞是由II-VI族化合物碲化镉和碲化汞组成的三元固溶体半导体,二、芯片原材料介绍,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,一款芯片的设计开发，首先确定产品应用需求，之后进入系统开发和原型验证阶段。系统开发和原型验证通过后，就进入芯片版图的设计实现阶段，就是数字后端、与模拟版图拼接。芯片版图通过各种仿真验证后就可以生成GDS文件，发给代工厂进行加工。,3.1 芯片设计流程,三、芯片设计,芯片硬件设计包括：1功能设计阶段2设计描述和行为级验证3逻辑综合4门级验证5布局和布线,3.2 芯片硬件设计,三、芯片设计,半导体软件主要应用在Fabless IC设计流程中，设计完产品规格后，要硬体描述语言将电路描写出来，然后将合成完的程式码再放入EDA tool，进行电路布局与绕线，该服务软件几乎均使用同一家软件（Cadence设计公司），目前几乎垄断状态。,3.3 芯片设计软件,三、芯片设计,物联网、汽车电子、虚拟现实等新兴领域的应用需求市场的拉动设计业快速成长。2016年我国集成电路设计业销售规模达到1518.5亿元。 从产品领域分布来看，2016年设计业主要产品分布在通信（物联网、可穿戴设备、汽车电子等）、消费电子和多媒体三大领域，占据了78%的市场份额。海思、展讯、中兴微电子三家企业销售总额达到445亿元，占该领域的64.6%。八大领域中，模拟、功率、导航芯片额营收业出现下降，主要是汽车电子领域的高端芯片仍被国外垄断，国内设计企业的赢利能力不强。,3.4 芯片设计行业现状,三、芯片设计,Fabless就是IC的设计公司，没有自己的加工厂和封测厂，IC产品的生产只能依靠专门的制造商和封装测试厂商2016年世界集成电路前10大设计企业营业收入排名如下表所示：,3.5 芯片设计企业现状,三、芯片设计,*注1：欧洲NXP半导体公司在互联汽车、汽车电子方面表现最为突出，2016.10.28被高通收购。 2：目前国外的芯片设计技术处于领先地位，并对中国高端的技术实施严格的封。,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,4.1.1 晶圆制造过程,四、芯片制造,- CZ法直拉单晶炉构造-,- 切片工艺示意-,- 圆边工艺示意-,4.1 晶圆制造,4.1.2 晶圆制造厂现状-2015年-2017年,研究数据显示硅晶圆市场基本被日韩厂商垄断，五大供货商全球市占率达到了92%，其中信越半导体市占率27%，胜高科技（SUMCO）市占率26%，环球晶圆收购美国SunEdison后占率17%，Silitronic（德国）市占率13%，LG市占率9%。,四、芯片制造,4.1.3 晶圆制造过程重要设备- 直拉单晶炉,- CZ法直拉单晶炉-,四、芯片制造,4.1.4 晶圆制造过程重要设备-内圆切片机/切片研磨一体机,-单晶硅切方滚磨机-,-半导体单晶硅截断机-,四、芯片制造,4.1.5 晶圆制造过程重要设备-外延设备,四、芯片制造,4.2.1 集成电路制造基础工艺,增层：在晶圆表面形成薄膜的加工工艺。,集成电路制造企业使用四种最基本的工艺方法通过大量的工艺顺序和工艺变化制造出特定的芯片。这些基本的工艺方法是增层、光刻、掺杂、热处理。,光刻：通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。,掺杂：将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺制程。,热处理：简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。,4.2 集成电路（IC） 制造,四、芯片制造,4.2.2 集成电路制造过程增层工艺设备- 氧化炉,氧化炉为半导体材料进行氧化处理，提供要求的氧化氛围，实现半导体预期设计的氧化处理过程，是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。,四、芯片制造,4.2.3 集成电路制造过程增层工艺设备-低压化学气相淀积系统（LPCVD）,四、芯片制造,4.2.4 集成电路制造光刻工艺设备-光刻机,光刻机系统极为复杂，是目前国内与国外差距最大的集成电路设备。,四、芯片制造,4.2.5 集成电路制造光刻工艺设备-反应离子刻蚀系统（RIE）,集成电路刻蚀设备与国外差距相对较小，一些国产设备具有一定竞争力。,四、芯片制造,4.2.6 集成电路制造掺杂工艺设备-离子注入机,离子注入机是现代集成电路制造中极为昂贵和复杂的机器之一，其工作原理结合了加速器物理、真空系统、机械传送和系统控制等技术。目前国内很少单位有能力研发，与国外差距巨大。,四、芯片制造,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,39,5.1.1 封装工艺过程,五、芯片封测,5.1 芯片封装,40,5.1.2 芯片封装厂现状-2016年,五、芯片封测,5.1.3 封装设备引线键合机,全自动引线键合机,五、芯片封测,42,高速贴片机,5.1.3 封装设备贴片机,五、芯片封测,43,全自动塑封机,5.1.3 封装设备全自动塑封机,五、芯片封测,44,激光切割机,5.1.3 封装设备激光切割机,五、芯片封测,测试目的是最后出厂时保证你这个产品的性能可满足设计要求。封装测试企业只专注于封测环节，为Fabless提供封测服务，并收取一定比例的加工费。 目前测试公司没有厂家代表，每个Fabless一般建有自己实验室，一般规模实验室建设费用23千万，实验室检测设备供应商一般为安捷伦（世界最大测试公司）。,5.2 芯片测试,五、芯片封测,目 录,芯片原材料介绍,芯片制造,背景介绍,芯片设计,芯片封测,投资分析,投资资金 集成电路产业需要不断投入巨额资金的产业，设备和科研投资费用都非常大。仅仅20nm的生产线投资额高达100亿美元，加上技术更新速度快，每两年一个工艺节点推进，需要持续投入建设生产线以形成规模优势。,六、投资分析,回报周期 据国际数据统计，半导体厂没有一家前5年赚钱。以目前的28nm生产线为例，一般前2.5年为建长期，后2年为产能爬坡期，生产线投入56年才能产生效益。其它细分产业也存才同样规律。 投资风险 从设计、制造、设备到封装，前几名企业均占据细分领域接近7080%的市场份额，因此在集成电路行业有“第一名吃肉、第二名喝汤、第三名勉强维持收支平衡”的说法，如果不能挤进行业的前列，投资风险将非常的大。 利润 Intel、台积电、高通等一流企业毛利率基本在50%以上。,六、投资分析,
