『半導體產業』：晶片有如人腦般聰明，運用在人類 6 大領域，迎接智能新時代！
(圖片來源：shutterstock)
半導體市場將在 2020 年回春
2019 年歷經中美貿易戰
全國經濟烏煙瘴氣的
從關稅、匯率操縱一路打到科技業
使半導體市場營收下降將近 13%
隨著下半年貿易衝突趨緩
半導體有望在 2020 年成長
根據國際半導體產業協會（SEMI）研究報告指出
因記憶體相關支出力道強勁
以及中國大陸新增廠房而有所復甦
看好 2020 年半導體設備銷售成長 5.4%
半導體是導電性介於導體（金屬）與絕緣體（石頭）之間的物質
包括矽、鍺，由於矽有較大的縫隙能摻雜雜質
可用來製造重要的半導體電子元件—電晶體
電晶體的主要功能有放大信號、開關
電晶體就像數位訊號的收音機
收音機的原理是將微弱的訊號放大
用喇叭放出來
而電晶體能將訊號的電流放大
讓電流以特定方式通過
數億個電晶體裝在一張長寬約半公分大的晶片上
這片晶片就是大家耳熟能詳的『積體電路』
俗稱 IC（Integrated Circuit）
因應智能時代來臨
科技將改變人類生活模式
上文先大致介紹半導體是什麼
接著再詳細說明整個產業概況以及未來運用
以下本文將分成四大部分:
半導體製程：4 大步驟一目了然
積體電路分類：依功能區分 4 大類
半導體產業鏈營運模式：各種模式的利與弊
半導體運用領域：未來將用在這 6 大領域
半導體製程：4 大步驟一目了然
1. IC 設計：
預先規劃晶片的功能
功能包含算術邏輯、記憶功能、 浮點運算、 數據傳輸
各功能分布在晶片上各區域
並製作所需的電子元件
工程師使用硬體描述語言（HDL）設計電路圖
在將 HDL 程式碼放入自動化電子設計工具（EDA Tool）
電腦把程式碼轉換成電路圖
2. 晶圓製造：
將矽純化、溶解成液態
從中拉成柱狀的矽晶柱
上面有一格一格的矽晶格
將電晶體放置在矽晶格上
矽晶格的排列是安裝電子元件的重要關鍵
矽晶柱拉起的速度、溫度影響矽晶柱的品質
尺寸越大，技術難度就越高
12 吋晶圓廠也相對 8 吋晶圓廠製程更加先進
製程是技術，但良率才是最關鍵 Know-how
晶圓廠使用鑽石刀將整條矽晶柱切成薄片
經過拋光後就變成『晶圓』，也就是晶片的機板
灰塵對這些晶圓造成嚴重的威脅
故製造人員進入無塵室之前
皆需穿戴防塵衣、清洗身體採去預防措施
晶圓製造比手術是乾淨十萬倍
3. 光罩製作：
一大張電路設計圖
縮小並壓印到矽晶圓上
靠的就是光學原理
IC 設計圖以電子束刻在石英片上，成為光罩
將光罩上的設計圖縮小至晶圓上
與洗相片原理相同
『光罩』如同照相底片，而『晶圓』就像照片紙
預先將晶圓塗上一層光阻（相片感光材料）
透過紫外光照射與凸透鏡聚光效果
將光罩上的電路結構縮小並烙印在晶圓上
光罩上圖形的細緻度是影響晶片品質的關鍵
光刻製程結束後
工程師在晶圓上加入離子
透過注入雜質到矽的結構中控制導電性
與一連串的物理過程
製造出電晶體
待晶圓上的電晶體、二極體等電子元件製作完成後
將銅倒入凹槽中形成精密的接線
使許多的電晶體連起來
4. 封裝與測試：
晶圓完成後送到封裝廠
會切割成一片一片的裸晶
由於裸晶小而薄
非常容易刮傷
故將裸晶安裝在導線架上
外面裝上絕緣的塑膠體或陶瓷外殼
印上委託製造公司的標誌
最後進行晶片測試
將不良品挑出
晶片就此完成
積體電路（IC）分類：依功能區分 4 大類
1. 記憶體 IC：
主要是用來儲存資料的原件
通常用於電腦、電視遊樂器、電子辭典等等
像是 DRAM、SRAM、NAND Flash 皆屬於記憶體 IC
2. 邏輯 IC：
主要是處理數位訊號（0 與 1）為主
產品包含中央處理器（CPU）、微處理器（MPU）、圖形處理器（GPU）
3. 微元件 IC：
主要的功能在於負責 CPU 的周邊設備以及其他零組件的溝通任務
擅長處理複雜的邏輯運算
以數位或文字資料為主
4. 類比IC：
主要處理有關類比信號的 IC
因能耐高壓、耐大電流
所以主要運用在電源供應器、數位類比轉換器等
半導體產業鏈營運模式：各種模式的利與弊
早期半導體公司多是從 IC 設計、製造、封裝、測試一手包辦
由於摩爾定律的關係
晶片設計日趨複雜、花費也越來越高
單獨一家半導體公司無法負荷從上游到下游的高額研發、製作費用
到了 1980 年末期
半導體產業逐漸走向專業分工模式
創造更大的利潤和提升產品穩定性
※ 摩爾定律：
由 Intel 創始人之一 Gordon Earle Moore 提出
積體電路上可容納的電晶體數目
約每隔18個月便會增加一倍
性能也將提升一倍
依業務性質半導體產業主要分為以下 4 種經營模式：
1. 整合元件製造商（IDM） 模式：
集結晶片設計、製造、封裝、測試、銷售等多個產業鏈環節
需要雄厚的營運資本才能支撐此營運模式
故目前僅有少數大廠能維持
2. 代工廠（Foundry） 模式：
只需負責製造、封裝、測試其中環節
可以同時為多家設計廠商服務
但受限於供應商的競爭
需特別留意客戶機密技術外洩情形
代工廠的主要競爭力來自於規模化生產、生產管控
3. 無廠 IC 設計商（Fabless）模式：
只負責晶片電路設計、銷售
將生產、封裝、測試外包
起初資金規模不大
進入門檻相對低
4. 晶片設計服務提供商（Design Service）模式：
為晶片設計公司提供相對應工具、電路設計架構、諮詢服務等
不設計、銷售晶片
而是販售智慧財產權—設計圖
又稱矽智財（SIP）
半導體運用領域：未來將用在這 6 大領域
根據國際半導體產業協會說法
半導體未來主要運用在智慧運輸、智慧醫療、智慧數據、智慧製造、綠色製造和先進製造
而運輸、工業製造是最主要的兩大動能
智慧車輛駕駛輔助安全系統等級越來越高
藉由後端 AI 晶片運算
從接收感測訊號，經由運算分析
再傳達至車輛動力系統
可完成安全迴避和抵達目的地的需求
實現全自動化駕駛願景
工業製造從數位化演進成全自動生產
引入物聯網系統到生產管理系統中
推動工業智慧製造新時代
帶動整體半導體市場需求
在未來 5G、AI 與半導體產業息息相關
5G 時代來臨帶動整個半導體周邊商品
如 5G 智慧型手機市場需求近 2 億台
將帶起另一波換機潮
而 AI 智能需透過大量運算效能
使晶圓技術需不斷推陳出新
以適應科技變化快速
未來半導體產業有望另創高峰