fab是什么 半导体厂的fab是什么意思【编者按】本文源自美国波士顿咨询公司和美国半导体行业协会共同发布了《在新时代强化全球集成电路供应链》报告。半导体是设计和制造的高度复杂的产品设计活动主要是知识和技能密集型的：它占整个工业研发的65%，
【编者按】本文源自美国波士顿咨询公司和美国半导体行业协会共同发布了《在新时代强化全球集成电路供应链》报告。
半导体是设计和制造的高度复杂的产品
设计活动主要是知识和技能密集型的：它占整个工业研发的65%，占增值的53%。事实上，专注于半导体设计的公司通常会将其年收入的12%至20%投资于研发。开发现代复杂芯片，例如为当今智能手机提供动力的“片上系统”（SoC）处理器，需要数百名工程师组成的庞大团队数年的努力，有时还需要利用外部IP和设计支持服务。随着芯片的日益复杂，开发成本迅速上升。一种新型的先进系统——旗舰智能手机芯片上系统的开发总成本，包括处理音频、视频或提供高速无线连接所需的专门模块，可能远远超过10亿美元。那些重用了以前设计的相当一部分或新的更简单芯片的衍生产品，可以在成熟节点中制造，开发成本仅为2000万至2亿美元。
高度专业的半导体制造设施，通常被称为“Fab”，将纳米级集成电路从芯片设计打印到硅晶片。每个晶圆包含多个相同设计的芯片。每片晶片的实际芯片数量取决于特定芯片的大小：它可以在为计算机或智能手机供电的数百个大型复杂处理器之间变化，对于打算执行简单功能的小型芯片，可能会有数十万个。
制造工艺的复杂，需要高度专业的输入和设备，以达到所需的微型精度。集成电路建在洁净室，设计用于保持无菌条件，以防止空气中的颗粒污染，从而改变形成电子电路的材料的特性。
根据具体产品，半导体晶片的整体制造过程有400至1400个步骤。制造成品半导体晶片的平均时间，称为周期时间，大约为12周，但完成先进工艺需要14-20周。它利用了数百种不同的投入，包括原晶圆、一般化学品、特殊化学品以及许多不同类型的加工和测试设备和工具，经过若干阶段（图6）。这些步骤通常重复数百次，这取决于所需电子电路的复杂性。
图6
制造工艺技术的进展通常通过“线宽”来描述。“线宽”一词是指电子电路中晶体管门的纳米尺寸。一般来说，节点尺寸越小，芯片的功率越大，因为可以将更多晶体管放置在相同尺寸的区域。 “摩尔定律”是芯片上的晶体管数量每18到24个月翻一番，但价格降低一半。摩尔定律为处理器自1965年以来性能和成本的持续提高奠定了基础。如今，智能手机、电脑、游戏机和数据中心服务器上发现的先进处理器都是在5到10纳米节点上制造的。利用3纳米工艺技术制造商业芯片的计划将于2023年左右开始。
尽管用于数字应用的逻辑和存储器芯片由于与较小节点相关的晶体管尺寸的缩放而受益匪浅，但其他类型的半导体，特别是上述分立、光电、传感器和模拟半导体，迁移到更小的节点，并不能达到相同的性能和成本效益，或者简单地使用不同类型的电路或架构，这些电路或架构在更小型化的线宽上无法工作。因此，如今大多数晶圆制造仍然使用较宽的线宽上进行，从目前的“领先线宽”5纳米用于高级逻辑，到用于分立、光电、传感器和模拟半导体的180纳米以上的线宽。事实上，目前全球仅2%产品用10纳米以下的线宽（图7）。
图7
由于生产半导体所需的规模和复杂设备，前端制造业是高度资本密集型的。一个标准容量的最先进的半导体制造厂需要大约50亿美元（对于高级模拟制造厂）到200亿美元（对于高级逻辑和存储器制造厂）的资本支出，包括土地、建筑和设备。例如，这大大高于下一代航空母舰（130亿美元）或新核电站（40亿至80亿美元）的估计成本。专注于半导体制造的公司的资本支出通常占其年收入的30%至40%。因此，晶圆制造约占整个产业资本支出的65%和增加值的25%。主要集中在东亚（台湾、韩国和日本）和中国大陆。
这一阶段包括将晶圆厂生产的硅片转换成成品芯片，以便组装成电子设备。参与这一阶段的公司首先将硅片切成单个芯片。然后芯片被包装到保护框架中，并封装在树脂壳中。芯片在运到电子设备制造商之前要经过进一步的严格测试。
供应链的后端阶段仍然需要对专门设施进行大量投资。专门从事装配、封装和测试的公司通常将其年收入的15%以上投资于设施和设备。它比前端制造阶段需要相对较少的资本密集型和雇用更多的劳动力，但新的创新先进的封装制造正在改变这一业态。总体而言，2019年，该活动占行业资本支出总额的13%，贡献了行业增加值总额的6%。主要集中在台湾和中国大陆，最近还在东南亚（马来西亚、越南和菲律宾）建造新设施。
高度专业化的支持生态系统
专注于半导体设计和生产活动的公司得到上游专业供应商生态系统的支持。
在设计阶段，电子设计自动化（EDA）公司提供复杂的软件和服务来支持半导体设计，包括专用集成电路（ASIC）的外包设计。在一个芯片中有数十亿个晶体管，最先进的EDA工具对于设计具有竞争力的现代半导体是必不可少的。
核心IP供应商授权可重用组件设计（通常称为“IP块”或“IP”）具有定义的接口和功能，以便设计公司将其集成到芯片布局中。这些还包括与每个制造过程节点相关的基础物理IPS，以及许多接口IPS。EDA和核心IP供应商在研发方面投入了大量资金，约占其收入的30%至40%，并在2019年约占行业增加值的4%。
半导体制造业在制造过程中的每一步都使用50多种不同类型的精密晶圆加工和测试设备，这些设备由专业供应商提供(图8）。
图8
光刻工具是制造厂商最大的资本支出之一，它决定了一个工厂生产芯片的先进程度。先进的光刻设备，特别是那些利用极端紫外线（EUV）技术的设备，需要在7纳米及以下制造芯片。一台EUV机器的成本可能是1.5亿美元。
计量和检验设备也是半导体制造过程管理的关键。由于该过程涉及一到两个月的数百个步骤，如果在过程的早期出现任何缺陷，则在随后耗时步骤中所进行的所有工作将被浪费。因此，在半导体制造过程的关键点，应建立严格的计量和检验过程，以确保确定和保持一定的产量。
现代工厂还拥有先进的自动化和过程控制系统，用于直接设备控制、自动化材料运输和实时批量调度，许多最新的设施几乎完全自动化。
半导体制造设备还包括许多具有特定功能的子系统和组件，例如光学或真空子系统、气体和流体管理、热管理或晶圆处理。这些子系统由数百个专门供应商提供。
开发和制造这种先进、高精度的制造设备，也需要大量的研发投入。半导体制造设备公司通常将其收入的10%至15%投资于研发。2019年，半导体设备制造商供应商占研发的9%，占行业增加值的11%。
最后，参与半导体制造的公司也依赖于专业的材料供应商。半导体制造业使用多达300种不同的输入，其中许多输入同时也需要先进的技术来生产。例如，用于制造随后切片成晶圆的硅锭所用多晶硅的纯度水平要求比太阳能板所需水平高1000倍，主要由4家公司提供，全球市场份额合计在90%以上。图9显示了2019年全球半导体制造材料在前端和后端制造中使用的关键系列的销售明细。
图9
主要前端材料包括：
多晶硅：是一种冶金级硅，纯度超精，适用于半导体晶圆生产。
硅片：多晶硅被熔化，形成单晶锭，然后被切成薄片，清洁，抛光，氧化，为在制造设施内的电路压印做准备。
光刻掩模：平版印刷过程中用的一种覆盖有图案的印版。这些图案由不透明和透明的区域组成，这些区域阻止或允许光线通过。
光刻胶：一种特殊材料，在光照下发生化学反应。硅片上覆盖有光刻胶层，光刻胶层在光刻过程中压印有光掩模中包含的图案。
湿加工化学品：用于半导体制造过程中的蚀刻和清洗步骤，包括溶剂、酸、蚀刻剂、剥离剂和其他产品。
气体：用于保护晶圆免受大气照射。其他气体在半导体制造过程中用作掺杂剂、干蚀刻剂和化学气相沉积（CVD）。
化学机械平坦化（CMP）泥浆：
用于在薄膜沉积步骤后抛光晶圆表面以提供平坦表面的材料。
后端材料包括引线框架、有机基板、陶瓷封装、封装树脂、键合线和芯片连接材料。与上述晶圆制造材料相比，它们通常具有相对较低的生产技术壁垒。
这些高度专业化材料的生产是在大型工厂进行的，这也需要高投资。年度资本支出中硅片、光刻胶或气体的全球供应商通常占其收入的13%至20%。总的来说，2019年，材料供应商占总资本支出的6%，占行业增加值的5%。
半导体独有的高研发和高资本强度
半导体是设计和制造非常复杂的产品。因此，半导体行业呈现出高研发和高资本密集的双重态势。总体而言，我们估计，2019年，该行业在全球价值链所有活动中的研发投资约为900亿美元，资本支出约为1100亿美元。这两个数字加起来几乎占同年全球半导体销售额4190亿美元的50%。
图4
如上图4所示，虽然65%的行业研发投资（不包括竞争前研究）是在价值链的设计层进行的，但在EDA和核心IP、半导体设备和晶圆制造方面也有重要的研发活动。同样，晶圆制造业占整个产业资本支出的65%，但组装和测试、材料甚至设计也需要对先进的设施和设备进行大量投资。
考虑到企业在整个全球价值链上的投资，没有任何一个行业在研发（占芯片总收入的22%，领先于制药）和资本支出（占芯片总收入的26%，领先于公用事业）方面具有相同的高强度(图10）这种极高的投资强度导致需要大规模的全球规模和专业化。
图10