臺(tái)積電的另一面(轉(zhuǎn))
日期：2021-08-27 / 人氣： / 來(lái)源：
[概要說(shuō)明]無(wú)論是先進(jìn)制程還是成熟進(jìn)程，臺(tái)積電兩手都在抓，兩手都硬。從臺(tái)積電在特殊制程上的發(fā)展情況也可以看出，成熟制程的用處很大，范圍很廣。
作為代工行業(yè)的龍頭老大，臺(tái)積電的5nm制程已經(jīng)投入量產(chǎn)，第6代3D晶體管平臺(tái)3nm技術(shù)在主要客戶(hù)完成IP設(shè)計(jì)并開(kāi)始硅驗(yàn)證的同時(shí)，也在繼續(xù)全面開(kāi)發(fā)。除了CMOS邏輯制程外，臺(tái)積電還開(kāi)展了廣泛的其他半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)，為客戶(hù)提供移動(dòng)SoC和其他應(yīng)用所需的功能。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)車(chē)輪滾滾向前的同時(shí)，成熟制程也越來(lái)越顯現(xiàn)其重要性。尤其是應(yīng)用在特殊應(yīng)用（如車(chē)用、物聯(lián)網(wǎng)、指紋辨識(shí)、無(wú)線(xiàn)充電）的特殊制程，這些特殊制程大都采用的是16nm和28nm等成熟節(jié)點(diǎn)。稱(chēng)霸先進(jìn)制程還不夠，臺(tái)積電正在沖成熟制程。
特殊制程份額來(lái)到新高度
一向在成熟制程鮮有更多布局的臺(tái)積電，2月份，臺(tái)積電決定擴(kuò)大其在中國(guó)的28nm產(chǎn)能，最初計(jì)劃每月4,000片，后來(lái)擴(kuò)大到每月100,000片，這是其成熟技術(shù)在過(guò)去7年中最大的一次擴(kuò)張。臺(tái)積電總裁魏哲家也在4月法說(shuō)會(huì)罕見(jiàn)指出，臺(tái)積電將擴(kuò)產(chǎn)成熟制程，應(yīng)付全球晶片缺貨問(wèn)題。
關(guān)于28nm制程，業(yè)界周知，是張忠謀回營(yíng)指揮上馬的的一個(gè)制程。臺(tái)積電也是28nm制程中市占率最高的公司，但28nm作為一個(gè)成熟工藝節(jié)點(diǎn)，這幾年的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈，利潤(rùn)和產(chǎn)能利用率也逐步降低。這個(gè)節(jié)點(diǎn)也是代工廠全球戰(zhàn)略的重點(diǎn)。
但值得注意的是，直到現(xiàn)在臺(tái)積電也基本從未關(guān)閉過(guò)晶圓廠，臺(tái)積電開(kāi)創(chuàng)的無(wú)晶圓廠/代工業(yè)務(wù)模式，與“半導(dǎo)體業(yè)務(wù)模式”，以及現(xiàn)在所說(shuō)的“集成設(shè)備制造商”或IDM相比，有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。在舊模式中，一家半導(dǎo)體公司擁有晶圓廠，整個(gè)思路就是讓晶圓廠完全填滿(mǎn)業(yè)務(wù)線(xiàn)。該公司需要的只是足夠的業(yè)務(wù)來(lái)填補(bǔ)它的晶圓廠，但這還不夠，而且超額的折舊是一個(gè)財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。而且當(dāng)一家晶圓廠離前沿太遠(yuǎn)，可能就沒(méi)有足夠的業(yè)務(wù)可以在其中運(yùn)行，而該晶圓廠就會(huì)關(guān)閉。或者，在許多公司同時(shí)擁有存儲(chǔ)和邏輯業(yè)務(wù)的日子里，他們會(huì)運(yùn)行存儲(chǔ)，然后將fab轉(zhuǎn)換為邏輯，最后關(guān)閉它。
而臺(tái)積電不同，臺(tái)積電會(huì)為那些非前沿的制程尋找新的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，尋找新的客戶(hù)，并維持晶圓廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。像CMOS圖像傳感器(CIS)、新型非易失性存儲(chǔ)器或MEMS等特殊的應(yīng)用。隨著臺(tái)積電年?duì)I收規(guī)模將突破1.4億元、并邁向挑戰(zhàn)1.7億元關(guān)卡之際，成熟制程的轉(zhuǎn)型發(fā)展將扮演另一個(gè)長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)動(dòng)能。這就好像亨利·福特(Henry Ford)最初的T型車(chē)工廠還在運(yùn)轉(zhuǎn)，但現(xiàn)在為航空航天工業(yè)生產(chǎn)渦輪葉片。
隨著半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)成熟工藝節(jié)點(diǎn)的需求日益增長(zhǎng)，用于物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)技術(shù)也越來(lái)越重要。最重要的是，臺(tái)積電今年的目標(biāo)是將其專(zhuān)業(yè)技術(shù)占成熟工藝的份額提高到60%，首次超過(guò)50%，這是一個(gè)新的高度。三年前，專(zhuān)業(yè)技術(shù)僅占臺(tái)積電成熟工藝的45%。隨著臺(tái)積電今年同時(shí)擴(kuò)大成熟節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能，預(yù)計(jì)特種技術(shù)產(chǎn)能，特別是從28nm到16nm的產(chǎn)能，也將增長(zhǎng)12%。2021年Q2，成熟技術(shù)預(yù)計(jì)將占臺(tái)積電營(yíng)收的一半。法人指出，臺(tái)積電成熟制程特殊應(yīng)用占比也將提高，今年相關(guān)營(yíng)收貢獻(xiàn)有望首度突破3,000億元。
據(jù)了解，臺(tái)積電今年的資本出將達(dá)250-280億美元，年增45-62%；其中80%將用于3納米、5納米及7納米等先進(jìn)制程，10%用于先進(jìn)封裝技術(shù)量產(chǎn)需求，10%用于特殊制程。據(jù)悉，臺(tái)積電竹科12廠與中科15廠都有對(duì)應(yīng)優(yōu)化制程設(shè)計(jì)，南科廠方面，南科晶圓14廠第八期也規(guī)劃為特殊制程應(yīng)用生產(chǎn)。
先前《日刊工業(yè)新聞》曾報(bào)導(dǎo)，日本政府經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的主導(dǎo)下，臺(tái)積電與SONY可能會(huì)在日本合資設(shè)廠，該工廠瞄準(zhǔn)的也是特殊制程，將生產(chǎn)40納米至20納米的制程為主，主要用于汽車(chē)、家用電子與機(jī)械產(chǎn)業(yè)等類(lèi)別。再者據(jù)《Digitimes》報(bào)導(dǎo)，臺(tái)積電在先進(jìn)制程與成熟制程都卯足全力布局，甚至連近期歐盟不斷邀請(qǐng)臺(tái)積電赴歐設(shè)廠，傳出開(kāi)始評(píng)估在德國(guó)設(shè)場(chǎng)的可能性，市場(chǎng)傳出是落在12/16奈米制程，主要客戶(hù)包括恩智浦、安森美與英飛凌等類(lèi)比IC大廠。
臺(tái)積電特殊制程的進(jìn)展
臺(tái)積電的專(zhuān)業(yè)技術(shù)組合包括MEMS、CMOS圖像傳感器、嵌入式NVM、RF、模擬、高壓和BCD-Power等。而這些技術(shù)大多采用的是成熟的工藝節(jié)點(diǎn)，包括28nm和16nm等。
在MEMS領(lǐng)域，臺(tái)積電于 2011 年推出了全球首個(gè) Sensor SoC 工藝技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)集成臺(tái)積電行業(yè)領(lǐng)先的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 和晶圓堆疊技術(shù)來(lái)制造單片微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)。2018年，臺(tái)積電成功交付全球首款CMOS-MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）單片電容式氣壓計(jì)。2020年臺(tái)積電用MEMS技術(shù)協(xié)助客戶(hù)推出單晶片超音波掃描器，此一單晶片元件可協(xié)助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的可攜式超音波掃描。同時(shí)，臺(tái)積電的模塊化MEMS技術(shù)在2020年獲得了大批量生產(chǎn)高分辨率加速度計(jì)和陀螺儀的資格。未來(lái)的計(jì)劃包括開(kāi)發(fā)下一代高靈敏度薄麥克風(fēng)，12英寸晶圓上的MEMS光學(xué)圖像穩(wěn)定(OIS)系統(tǒng)的整體解決方案，以及Bio MEMS應(yīng)用。
在CMOS圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，2002年臺(tái)積電協(xié)助客戶(hù)領(lǐng)先將0.8微米畫(huà)素的產(chǎn)品導(dǎo)入市場(chǎng)，并于九個(gè)月內(nèi)再將制程推進(jìn)到0.7微米畫(huà)素，并及時(shí)導(dǎo)入量產(chǎn)。在縮小畫(huà)素尺寸的同時(shí)，相同芯片大小的影像傳感器元件的分辨率可以提高30%。還采用0.13微米雙載子-互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體-擴(kuò)散金屬氧化半導(dǎo)體技術(shù)及45納米堆疊式CIS（Stacked CIS）技術(shù)，為客戶(hù)產(chǎn)出單光子雪崩式二極管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）三維傳感器產(chǎn)品。此外，為了應(yīng)對(duì)堆棧式CIS技術(shù)中，影像訊號(hào)處理器產(chǎn)品更高效能及更低功耗的需求，進(jìn)一步推出22ULL制程技術(shù)，并加速12FFC制程技術(shù)的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，臺(tái)積公司也建立了28納米CIS制程技術(shù)研發(fā)試產(chǎn)線(xiàn)，協(xié)助客戶(hù)未來(lái)開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的CIS元件。
在存儲(chǔ)領(lǐng)域，臺(tái)積電這幾年一直在新型存儲(chǔ)領(lǐng)域下功夫。在嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(NVM)技術(shù)上，臺(tái)積電在2020年也實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)重大的里程碑。在40nm節(jié)點(diǎn)上，該公司成功地批量生產(chǎn)了基于NOR的split-gate電池技術(shù)，以支持消費(fèi)電子和眾多汽車(chē)電子應(yīng)用。在28nm節(jié)點(diǎn)上，公司用于惠普移動(dòng)計(jì)算和惠普低泄漏平臺(tái)的嵌入式flash開(kāi)發(fā)保持了穩(wěn)定的高產(chǎn)量，獲得了消費(fèi)電子級(jí)和汽車(chē)電子1級(jí)用途的技術(shù)資格，并計(jì)劃于2021年獲得汽車(chē)電子最高級(jí)0級(jí)的技術(shù)資格。2020年臺(tái)積電開(kāi)始生產(chǎn)28nm電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)，這是臺(tái)積電為價(jià)格敏感的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)所開(kāi)發(fā)的低成本解決方案。
在嵌入式MRAM技術(shù)上，該公司獲得了成功量產(chǎn)22nm MRAM的技術(shù)資格，2020年已開(kāi)始生產(chǎn)22nm磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，用于下一代嵌入式內(nèi)存MCU、汽車(chē)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用。臺(tái)積電預(yù)計(jì)22nm節(jié)點(diǎn)的MRAM將在2021年獲得用于汽車(chē)電子應(yīng)用的技術(shù)資格。在16nm節(jié)點(diǎn)上，產(chǎn)量穩(wěn)定提高，預(yù)計(jì)將在2021年獲得技術(shù)資格，為下一代微處理器嵌入式內(nèi)存，以及許多汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)和AI設(shè)備應(yīng)用做準(zhǔn)備。
另外，在2019年，臺(tái)積電開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)電子和微控制器單元（MCU）的28nm嵌入式閃存技術(shù)。臺(tái)積電的嵌入式閃存技術(shù)范圍從 0.5 微米 (µm) 到28納米，并提供多種閃存 IP選項(xiàng)以滿(mǎn)足各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。2020年臺(tái)積電獲得了28nm eFlash汽車(chē)電子及微控制器(MCU)應(yīng)用技術(shù)資格。
在混合信號(hào)/射頻 CMOS (MS/RF) 技術(shù)方面，臺(tái)積電占據(jù)了70%的市場(chǎng)份額。2018 年，臺(tái)積電利用其28納米射頻 (28HPC+射頻) 技術(shù)，交付了業(yè)界首個(gè)射頻工藝設(shè)計(jì)套件 (PDK)，以支持 5G 毫米波射頻和汽車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的110GHz毫米波和汽車(chē)級(jí)150°C的需要。此外，為了提高射頻開(kāi)關(guān)性能，臺(tái)積電還開(kāi)發(fā)了一種40nm特殊工藝，用于6Ghz以下應(yīng)用的5G射頻有限元(前端模塊)設(shè)計(jì)。而為了適應(yīng)更高的頻率，臺(tái)積電開(kāi)發(fā)了一種28HPC+工藝，用于增強(qiáng)5G毫米波有限元設(shè)計(jì)中的功率放大器性能。在16nm專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面，臺(tái)積電的16nm FinFET Compact Technology（16 FFC）領(lǐng)代工廠于2018年開(kāi)始為客戶(hù)量產(chǎn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)芯片。該技術(shù)已擴(kuò)展到下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN 802.11ax）和毫米波應(yīng)用，以及無(wú)線(xiàn)連接應(yīng)用。
在高壓（HV）領(lǐng)域，2020年，臺(tái)積電還開(kāi)發(fā)了芯片疊片(WoW 28HPC/40HV)，產(chǎn)品收率穩(wěn)定，該技術(shù)可與28HPC+媲美，降低了60%的有功功率。此外，28HV單片技術(shù)完成了客戶(hù)IP驗(yàn)證、鑒定和128Mb SRAM良率驗(yàn)證。這些技術(shù)是4K分辨率小面板、OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)和120Hz顯示驅(qū)動(dòng)芯片的前沿技術(shù)。臺(tái)積電完成了OLED在硅上的產(chǎn)品認(rèn)證，并以?xún)?yōu)異的良率和照明均勻性轉(zhuǎn)向AR/VR應(yīng)用的量產(chǎn)。2021年，臺(tái)積電計(jì)劃提供該技術(shù)的改進(jìn)版本，并部署8V晶體管，以提高WoW堆疊效率，這將意味著在28HV上的OLED TDDI(觸控顯示驅(qū)動(dòng)集成)應(yīng)用的性能和成本降低。
臺(tái)積電是第一家采用300mm晶圓生產(chǎn)Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）電源管理工藝的代工廠。2020年臺(tái)積電針對(duì)各種快速增長(zhǎng)的移動(dòng)電源管理IC的不同集成級(jí)別的應(yīng)用擴(kuò)展了90nm、55nm和22nm的12英寸雙極Bipolar-CMOS - DMOS (BCD)技術(shù)組合。90nm BCD技術(shù)覆蓋了從5V到35V的廣泛應(yīng)用，并將在2021年繼續(xù)擴(kuò)展。臺(tái)積電專(zhuān)門(mén)優(yōu)化了5V電源開(kāi)關(guān)，它是用來(lái)處理由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的不斷增長(zhǎng)的電力需求。此外，其0.18微米第三代BCD制程技術(shù)于2020年完成AEC-Q100驗(yàn)證。
今年6月2日，恩智浦宣布，NXP的S32G2車(chē)載網(wǎng)絡(luò)處理器和S32R294雷達(dá)處理器采用臺(tái)積電先進(jìn)的16納米FinFET工藝技術(shù)量產(chǎn)。臺(tái)積電的16納米技術(shù)使恩智浦的汽車(chē)處理器首次能夠利用先進(jìn)的 FinFET 晶體管的能力，結(jié)合改進(jìn)的性能和嚴(yán)格的汽車(chē)工藝認(rèn)證，提供安全的下一代計(jì)算能力。這標(biāo)志著隨著汽車(chē)不斷演變?yōu)閺?qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，恩智浦 S32 系列處理器向越來(lái)越先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)遷移。
此外，臺(tái)積電也在涉足氮化鎵(GaN)領(lǐng)域，2020年臺(tái)積電開(kāi)始量產(chǎn)第一代650V和100V增強(qiáng)GaN高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，該晶體管在2020年迅速達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)。其第二代650V和100V功率E-HEMT的FOM(性能)提高了50%，預(yù)計(jì)2011年投入生產(chǎn)。此外，100伏空乏型高電子移動(dòng)率晶體管（D-HEMT）已完成元件開(kāi)發(fā)，具備優(yōu)異的性能，且通過(guò)多家5G基地臺(tái)模塊設(shè)計(jì)公司的工程驗(yàn)證，預(yù)計(jì)于2011年進(jìn)入試產(chǎn)。
結(jié)語(yǔ)
如今，無(wú)論是先進(jìn)制程還是成熟進(jìn)程，臺(tái)積電兩手都在抓，兩手都硬。臺(tái)積電總裁魏哲家在今年一季度的電話(huà)會(huì)議上表示，產(chǎn)能短缺將至2022年，而成熟制程短缺情況將持續(xù)到2023年。從臺(tái)積電在特殊制程上的發(fā)展情況也可以看出，成熟制程的用處很大，范圍很廣。