想在集成电路产业捞金?先看你的老底厚实不厚

  集成电路作为信息产业的基础和核心,是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业。随着产业分工不断细化,集成电路行业可分为集成电路设计、制造、封装及测试等子行业。其中,集成电路设计处于产业链的上游,负责芯片的开发设计。
 
  近年来,智能手机、平板电脑等消费类电子以及移动互联网、3G通信、汽车电子、工业控制、仪器仪表、信息安全、医疗电子等市场快速发展,极大地带动了集成电路设计业的快速成长。据中国半导体行业协会统计,国内集成电路设计业继续保持较快增长,行业销售额同比增长了18.10%,规模达到621.68亿元。
 
  一、国内外技术现状
 
  目前,以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业,成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%,现代经济发展的数据表明,每l~2元的集成电路产值,带动了10元左右电子工业产值的形成,进而带动了100元GDP的增长。目前,发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关;美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山(2001年为43.6%)。预计未来10年内,世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长,2010年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点,拥有自主版权的集成电路已曰益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。
  
  集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。 集成电路最重要的生产过程包括:开发EDA(电子设计自动化)工具,利用EDA进行集成电路设计,根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀),对加工完毕的芯片进行测试,为芯片进行封装,最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。 20世纪80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米,其后,经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米的发展,目前达到了0.18微米的水平,而当前国际水平为0.09微米(90纳米),我国与之相差约为2-3代。
 
  1、设计工具与设计方法
  随着集成电路复杂程度的不断提高,单个芯片容纳器件的数量急剧增加,其设计工具也由最初的手工绘制转为计算机辅助设计(CAD),相应的设计工具根据市场需求迅速发展,出现了专门的EDA工具供应商。目前,EDA主要市场份额为美国的Cadence、Synopsys和Mentor等少数企业所垄断。中国华大集成电路设计中心是国内唯一一家EDA开发和产品供应商。
 
  由于整机系统不断向轻、薄、小的方向发展,集成电路结构也由简单功能转向具备更多和更为复杂的功能,如彩电由5片机到3片机直到现在的单片机,手机用集成电路也经历了由多片到单片的变化。目前,SoC作为系统级集成电路,能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能,将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个完整系统的功能。它的制造主要涉及深亚微米技术,特殊电路的工艺兼容技术,设计方法的研究,嵌入式IP核设计技术,测试策略和可测性技术,软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础,把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中,实现了集成电路设计能力的第4次飞跃。
 
  2、制造工艺与相关设备
  光刻技术的主要设备是曝光机和刻蚀机,目前在130nm的节点是以193nmDUV(Deep Ultraviolet Lithography)或是以光学延展的248nmDUV为主要技术,而在l00nm的节点上则有多种选择:157nm DIJV、光学延展的193nm DLV和NGL.在70nm的节点则使用光学延展的157nm DIJV技术或者选择NGL技术。到了35nm的节点范围以下,将是NGL所主宰的时代,需要在EUV和EPL之间做出选择。此外,作为新一代的光刻技术,X射线和离子投影光刻技术也在研究之中。
 
  3、测试
  由于系统芯片(SoC)的测试成本几乎占芯片成本的一半,因此未来集成电路测试面临的最大挑战是如何降低测试成本。结构测试和内置自测试可大大缩短测试开发时间和降低测试费用。另一种降低测试成本的测试方式是采用基于故障的测试。在广泛采用将不同的IP核集成在一起的情况下,还需解决时钟异步测试问题。另一个要解决的问题是提高模拟电路的测试速度。
 
 
  4、封装
  电子产品向便携式/小型化、网络化和多媒体化方向发展的市场需求对电路组装技术提出了苛刻需求,集成电路封装技术正在朝以下方向发展:
 
  ①裸芯片技术。主要有COB(ChipOI1Board)技术和Flip Chip(倒装片)技术两种形式。
 
  ②微组装技术。是在高密度多层互连基板上,采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片,形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术,其代表产品为多芯片组件(MCM)。
 
  ③圆片级封装。其主要特征是:器件的外引出端和包封体是在已经过前工序的硅圆片上完成,然后将这类圆片直接切割分离成单个独立器件。
 
  ④无焊内建层(Bumpless Build-Up Layer, BBLIL)技术。该技术能使CPIJ内集成的晶体管数量达到10亿个,并且在高达20GHz的主频下运行,从而使CPU达到每秒1亿次的运算速度。此外,BBUL封装技术还能在同一封装中支持多个处理器,因此服务器的处理器可以在一个封装中有2个内核,从而比独立封装的双处理器获得更高的运算速度。此外,BBUL封装技术还能降低CPIJ的电源消耗,进而可减少高频产生的热量。
 
  5、材料
  集成电路的最初材料是锗,而后为硅,一些特种集成电路(如光电器件)也采用三五族(如砷化镓)或二六族元素(如硫化镉、磷化铟)构成的化合物半导体。由于硅在电学、物理和经济方面具有不可替代的优越性,故目前硅仍占据集成电路材料的主流地位。鉴于在同样芯片面积的情况下,硅圆片直径越大,其经济‘性能就越优越,因此硅单晶材料的直径经历了1、2、3、5、6、8英寸的历史进程,目前,国内外加工厂多采用8英寸和12英寸硅片生产,16和18英寸(450mm)的硅单晶及其设备正在开发之中,预计2016年左右18英寸硅片将投入生产。
 
  此外,为了适应高频、高速、高带宽的微波集成电路的需求,SoI (Silicon-on-Insulator)材料,化合物半导体材料和锗硅等材料的研发也有不同程度的进展。
 
  6、应用
  应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节,是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外,集成电路正在不断开拓新的应用领域,诸如微机电系统,微光机电系统,生物芯片(如DNA芯片),超导等。这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点。
 
  7、基础研究
  基础研究的主要内容是开发新原理器件,包括:共振隧穿器件(RTD)、单电子晶体管(SET)、量子电子器件、分子电子器件、自旋电子器件等。技术的发展使微电子在21世纪进入了纳米领域,而纳电子学将为集成电路带来一场新的革命。
 
  二、我国市场发展趋势
 
  趋势一:中国IC市场仍将引领全球增长
  2014年中国集成电路市场规模超过1万亿元,增速高于全球市场。受多样化应用的驱动,市场规模仍将持续保持高速增长的态势,达到1.2万亿元,占全球集成电路市场半壁江山,同比增长将超过10%,远超全球3%的增速,继续成为引领全球集成电路市场增长的火车头。国际市场竞争加剧,国内政策、资金环境改善都将促使全球产业格局发生改变,在旺盛的市场需求带动下,技术、资金的转移加速,我国集成电路产业迎来新的发展机遇。预计2015年,国内产业销售收入将达到3500亿元,年平均增长率达到18%。
 
  趋势二:中国IC企业开始步入全球第一梯队
  中国IC企业实力不断增强。海思从2012年开始已是中国最大的Fabless厂商,成为中国集成电路产业的领头羊,2015年有望跻身全球fabless Top10。此外,紫光集团收购展讯和锐迪科,并获得英特尔入股之后,成为国内IC企业的巨头;2014年年底,长电科技联合国家集成电路产业投资基金股份有限公司、中芯国际子公司芯电上海共同出资收购全球第四大半导体封装测试企业——新加坡星科金朋,若能顺利完成星科金朋的收购,将毫无疑问进入封装产业全球前五。综合来看,在国内整机市场增长的带动下,2015年中国IC企业实力将持续提升,开始步入全球第一梯队。
 
  趋势三:产业基金引领IC产业投资热潮
  随着国家集成电路产业投资基金项目启动,国内龙头企业陆续启动收购、重组,带动了整个集成电路产业的大整合。集成电路的投资市场逐渐火热,目前,国家集成电路产业基金一期预计总规模已达1387.2亿元,实现超募187.2亿元。针对基金重点投资芯片制造业,兼顾芯片设计、封装测试、设备和材料等产业的规划,我国为打造出自主品牌IDM或虚拟IDM,预计2015年起未来五年将成为基金密集投资期,从而带动行业资本活跃流动。随着集成电路产业投资基金首批项目的正式落地,这个旨在拉动中国集成电路芯片产业发展的基金,未来10年将拉动5万亿元资金投入到芯片产业领域。
 
  趋势四:中国将成为12寸IC生产线全球投资热点区域
  高产能、低成本将是未来集成电路代工厂竞争的关键,因此制程线宽的缩小和晶圆尺寸的进一步增大将是未来集成电路的发展趋势。2014年我国12寸晶圆厂占全球12寸晶圆厂产能比重为7%,产线主要有十条,其中四条为外企投资设立,分别为海力士(无锡)、英特尔(大连)和三星(西安)。面对大陆IC设计业者崛起,2015年需要强而有力的晶圆代工支持,国内中芯国际和华力微电子等代工厂急需扩充产能,建设新的12寸晶圆厂。同时,随着物联网、可穿戴设备市场的兴起,台积电、联电、格罗方德等代工大厂都将抢占中国市场,加紧在中国的产线布局,投资12寸生产线。
 
 
  趋势五:12寸晶圆将正式实现“Made in China”
  12寸晶圆代表当今半导体材料的先进水平,目前主要被国外企业垄断。国内市场的12寸晶圆主要从国外进口。然而中国集成电路电路市场逐渐扩大,占据全球半壁江山。特别随着国内集成电路制造企业持续投入、国际企业在国内大规模建厂,国内市场对12寸晶圆的需求将成爆发式增长。12寸晶圆市场需求巨大,预计2015年接近全球晶圆总产能的六成。国内企业在市场需求的驱动下,结合已有的研发制造基础,有动力推进12寸晶圆量产。同时,国际企业在贴近市场的准则下,也有望在中国投资建设12寸晶圆厂。这将使得原材料缺口得到一定程度的缓解。
 
  趋势六:中国集成电路制造工艺将跻身国际主流水平
  目前国际主流先进制造工艺为28nm工艺,占据了约四成的市场份额。中芯国际的28nm制造工艺历经三年的研发,技术积累深厚,申请了多项相关专利技术以及100多项IP,已可提供包含28nm多晶硅和高介电常数金属栅极制造服务。此外,2014年7月,高通和中芯国际展开合作,并在12月宣布成功制造28nm高通骁龙410处理器。预计经过一段时间的试运行和测试之后,2015年28nm制程芯片将在中芯国际的开始大规模量产,预示着我国集成电路制造工艺将跻身国际主流水平。
 
  趋势七: 4G“中国芯”将取得重大突破
  2014年是中国的4G元年,下半年4G手机市场迎来爆发性的增长,全年中国4G手机出货量将接近1亿部。在中国4G手机终端火爆增长的背景下,国内主流设计企业瞄准市场,纷纷推出4G芯片,2014年更是成为中国4G芯大举发展的一年,如海思推出了麒麟系列高端应用处理器应用于华为的旗舰机型,联芯推出LC1860 4G智能手机芯片,展讯也推出SC96系列4G芯片。在绝大部分国产手机芯片支持4G的趋势下,2015年,预计搭载中国芯的4G手机有望占据国内20%市场。
 
  趋势八:芯片国产化替代进程将在多行业取得突破
  2014年,国产芯片在多个行业应用中取得了突破。高铁领域,自动控制和功率变换的核心芯片IGBT芯片实现国产化;金融卡领域,大唐微电子的金融卡芯片已经通过农业银行、光大银行等银行测试;4G领域,华为海思、联芯等的4G平台在下半年开始进入市场;智能硬件领域,国芯科技的数字电视芯片、华为的机顶盒和智能网关芯片等产品市场占有率稳步提高。2015年,在国家重点支持集成电路国产化的形势下,随着国内企业技术的进一步成熟,国产芯片将在更多的行业应用中占有一席之地,尤其是涉及信息安全等领域的高端芯片的国产化替代进程将进一步加速。
 
  趋势九:智能终端与汽车电子仍将是推动中国IC市场发展的主要动力
  云计算、大数据技术的进步推动物联网、移动互联网不断改善用户体验,逐渐深入人们的日常生活。智慧城市的各种项目不断落地,带动能源管理、城市安全、远端医疗、智慧家庭、智慧交通等相关应用领域对IC芯片的需求不断提升。行业预估2015年全球联网设备使用量将达49亿部,比2014年增加30%。智能手机、可穿戴设备、智能家电对各种低功耗、小尺寸芯片需求快速攀升,汽车电子超过10%的复合增长率以及国内巨大的消费市场都表明智能终端、汽车电子将是推动国内IC市场发展的主要动力。
 
  趋势十:IC行业的专利争夺将愈加激烈
  大多数的中国半导体厂商存在专利短板,在发展的过程中缺少技术积累,长期充当生产者的角色。2014年,受益于高通对中兴、华为等老牌手机厂商的反向专利授权,小米、魅族、VIVO、OPPO等新兴手机厂商在国内市场迅速崛起。但是专利的缺失严重阻碍了国产手机的海外扩张,同时高通接受反垄断调查、中兴华为向国内其他厂商发专利侵权律师函、小米手机在印度遭禁等事件发生,使得行业对知识产权的重视程度不断提高。预计2015年,随着高通专利保护伞的逐渐消失,国内芯片专利争夺将愈加激烈,更多芯片厂商在国内外市场都将面临知识产权困局。
 

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