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Hightech  2017-01-23 04:38  201609210014 
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晶圓的尺寸與良率直接影響晶圓廠的獲利能力,晶圓的尺寸愈大愈好,晶片的尺寸愈小愈好,這裡我們來討論晶圓的尺寸與良率和成本之間的關係,以及晶圓廠的技術能力對晶片尺寸的影響,最後再介紹什麼是晶圓廠的廠能。

 

❒ 晶圓的尺寸愈大愈好
晶圓的尺寸是指晶圓的直徑,目前矽晶圓的直徑從早期的6吋、8吋發展到目前的12吋,甚至未來的18吋。而矽晶圓經過上述的黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長等步驟反覆進行以後可以得到如<圖一>所示的結果,在矽晶圓上佈滿了邊長大約5mm的正方形「晶粒(Die)」,每個晶粒上都有數百萬個「電晶體(CMOS)」,而且每一個晶粒完全相同,最後再將這些正方形的晶粒切開,則可以得到許多完全相同的「晶片(Chip)」,每一個晶片經過封裝與測試,就是積體電路(IC)了。

 

圖一 晶圓的尺寸與良率。

 

換句話說,一片矽晶圓就可以產生數百或千個完全相同的晶片,所以矽晶圓的尺寸愈大,一次就可以生產愈多的晶片,每個晶片的「單位成本」也就愈低,晶圓廠就是利用這樣的技術大量生產以降低成本,顯然晶圓的尺寸是愈大愈好,晶圓尺寸與成本的關係如<表一>所示,表中以「成本/平方公分」代表晶圓每平方公分的成本,意思與每個晶片的「單位成本」相同。
或許有人會問,晶圓的尺寸愈大,生產成本難道不會增加嗎?的確,晶圓的尺寸愈大生產成本愈高,例如:12吋晶圓的生產成本大約是6吋晶圓的二倍,但是12吋晶圓的「面積」是6吋晶圓的四倍(邊長2倍,面積4倍),所以最後得到的晶片數目是四倍,收入也是四倍,顯然還是有利可圖,所以晶圓廠朝向12吋晶圓發展是無法避免的。知識力www.ansforce.com。

 

表一 晶圓尺寸與成本的關係。
資料來源:Sematech(2000/06)。 

 

【注意】
「晶粒(Die)」和「晶片(Chip)」其實是完全相同的東西,一般我們習慣將晶圓切割前的正方形稱為「晶粒(Die)」,而將晶圓切割後的正方形稱為「晶片(Chip)」。

 

❒ 晶片的尺寸愈小愈好
晶片的尺寸是指晶圓中每個晶片的大小,影響晶片大小的因素有兩個:
➤CMOS的線寬:CMOS的線寬是指閘極長度,從早期的0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm,到目前的90nm、65nm、45nm、22nm,線寬愈小具有相同CMOS數目的晶片面積愈小,每片晶圓可以生產的晶片數目愈多,利潤愈高。知識力www.ansforce.com。
➤晶片內含CMOS的數目:晶片依照不同的功能會有不同的CMOS數目,例如:網路卡晶片可能含有一百萬個CMOS,北橋晶片可能含有一千萬個CMOS,中央處理器(CPU)可能含有五千萬個CMOS。晶片內含CMOS的數目愈多,則這個晶片的架構愈複雜,代表它的單價愈高,利潤愈高。可以設計出架構愈複雜的晶片(例如:CPU),通常代表這家IC設計公司具有很好的技術能力與競爭能力,當然應該會賺錢;但是也有可能是因為這家設計公司的技術能力太差,別的公司只要一百萬個CMOS就可以製作出網路卡晶片,這家公司卻必須使用五百萬個CMOS,因此在判斷時要相當謹慎。

 

❒ 黏著墊(Bond pad)
在<圖一>中將每個正方形的晶片(Chip)放大,可以看到晶片表面四周圍分佈了許多凸出的金屬接點稱為「黏著墊(Bond pad)」,大家還記得矽晶圓的構造是在地下室有數百萬個CMOS,然後在上方製作多層金屬導線,最後這些導線必須與外界連接,由於封裝時是以粗細大約10μm(微米)的金線與外界連接,因此必須將各層金屬導線(別忘記,多層導線的寬度大約只有0.1μm)匯合到最上層以後,再將尺寸轉換為大約10μm的黏著墊,最後使用打線機進行打線相連的工作,才能用粗細大約10μm的金線與外界連接。

 

❒ 圓晶的良率(Yield rate)
圓晶的「良率(Yield rate)」代表一片晶圓中正常的晶粒占總晶粒的比率,如<圖一>中矽晶圓共有24個晶粒,經過測試其中18個可以正常工作,6個故障被測試機台打上紅色X記號,則這片晶圓的良率為七成五(18/24=75%)。晶圓廠的良率與潔淨室的乾淨程度、工程師與操作員的素質、機台的品質好壞都有關係,一般能將良率維持在八成左右已經是非常困難了,台積電與聯電的製程良率可以達到九成五以上,可見台灣的晶圓代工水準是相當高的。知識力www.ansforce.com。

 

❒ 圓晶廠的產能(Through put)
晶圓廠的「產能(Through put)」代表一座晶圓廠每個月所能生產的晶圓數目,例如:每個月可以生產12吋晶圓10萬片。景氣好的時候,市場上的訂單可能每個月要20萬片,這時候晶圓廠就必須將訂單依照客戶的重要性分先後生產,這就是晶圓廠會「接單」到明年甚至後年的緣故了;景氣差的時候,市場上的訂單可能每個月只要5萬片,這時候晶圓廠每個月就只生產5萬片,代表晶圓廠中只有50%的機台正常工作(另外50%的機台閒置沒有使用),我們說這座晶圓廠的「產能利用率」只有50%。

 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書

 

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