什么是晶圆代工?晶圆代工的工作流程、历史和重要意义

什么是晶圆代工?晶圆代工的工作流程、历史和重要意义

晶圆代工或晶圆专工(英语:Foundry),是半导体产业的一种商业模型,指接受其他无厂半导体公司(Fabless)委托、专门从事晶圆成品的加工而制造集成电路,并不自行从事产品设计(但会设计出自有IP核给客户使用,也拥有芯片设计团队、让他们与客户一起设计芯片,晶圆代工厂也必需帮客户抓出设计错误;因此晶圆代工业者的芯片设计能力是很重要的竞争力)与后端销售的公司。

在纯晶圆代工公司出现之前,芯片设计公司只能向集成器件制造厂(IDM)购买空闲的晶圆产能,产量与生产调度都受到非常大的限制,不利于大规模量产产品。1987年创立的台积电是第一家专门从事晶圆代工的厂商[1],此后联电亦转型为专门晶圆代工公司;以及有中芯国际、世界先进、格芯等公司接连成立,目前全世界有十余家提供晶圆代工服务的公司。此外即使是垂直集成制造的半导体公司,如三星电子、英特尔等,也有晶圆代工的业务。晶圆代工服务使得专业芯片设计的商业模型也得以实现,推升了芯片设计公司的蓬勃发展。

随着芯片制程微缩、晶圆尺寸成长,建设一间晶圆厂动辄百亿美金的经费,往往不是一般中小型公司所能够负担得起;而透过此模式与晶圆代工厂合作,半导体设计公司就不必负担高阶制程高额的研发与厂房兴建费用,晶圆代工厂够专注于制造及开发IP核,开出的产能及IP核也可售予多个用户,将市场波动、产能供需失衡的风险减到最小。

相对的,专门进行半导体电路研发与设计,而不从事生产、无半导体厂房的公司称为无厂半导体公司,这些公司是晶圆代工业者的主要客户。无厂半导体公司依赖晶圆代工公司生产产品,因此产能、技术都受限于晶圆代工公司,但优点是不必自己负担兴建、营运晶圆厂的庞大成本。而IDM厂商如英特尔等,亦会基于产能或成本等因素考量,将部分产品委由晶圆代工公司生产制造。以上原因使得晶圆代工成为一项稳定发展的科技产业。

什么是晶圆代工?

“晶圆代工”(英文:Semiconductor Foundry,又称代工制造,简称Foundry)指的是专业为客户制造芯片,但自己不设计芯片的一种半导体生产模式。换句话说,晶圆代工厂负责根据客户(如AMD、NVIDIA、苹果、高通等)提供的电路设计图,用自己的工厂和技术把电路制造到硅片(晶圆)上,最后交付成品或中间产品。

这一模式最早由台积电(TSMC)在1980年代中后期首创并推广开来。

为什么叫“晶圆代工”?

晶圆(Wafer):是指制造芯片所用的原材料——一种经过高度抛光的硅片。

代工(Foundry):指制造生产的工作是按照客户提供的设计要求进行的,自己不主导产品定义或设计。

简单来说,客户出设计,晶圆代工厂出设备、工艺、技术和产能。

晶圆代工的具体流程

接单客户提供详细的芯片设计文件(一般是GDSII文件),以及生产要求(制程节点、性能目标、良率要求等)。

工艺对接与定制晶圆代工厂根据客户需求,选择适合的制造工艺,并进行一些工艺适配与验证。

制造通过光刻、离子注入、刻蚀、薄膜沉积、化学机械抛光(CMP)等几十甚至上百道复杂工序,在晶圆上逐层构建微观电路结构。

测试与验收晶圆制造完成后,会先进行初步电性测试(Wafer Sort)。合格的晶圆随后封装成芯片,最终交付客户。

晶圆代工的重要意义

1. 降低芯片设计门槛

过去要做一颗芯片,既要设计,又要自己建厂(投资巨大),几乎只有Intel这种巨头能负担。

晶圆代工模式让更多中小设计公司只需专注设计,无需自建昂贵的制造设施。

结果:加速了半导体产业的多样化和创新爆发(出现了高通、AMD、联发科、苹果自研芯片等)。

2. 专业化分工提升效率

晶圆代工厂专注制造,积累工艺经验和规模效应。

设计公司则专注创新和产品差异化。

结果:成本更低,产品迭代更快,产业链竞争力更强。

3. 推动先进制程发展

大型晶圆代工厂(如台积电、三星Foundry、英特尔代工部IFS)能集中全球资源,投资数百亿美元研发更先进的生产技术(如3nm、2nm工艺)。

设计公司可以快速用上最先进的制程,不需要自己负担巨额研发投入。

结果:全球高性能计算、5G手机、人工智能芯片等得以快速发展。

4. 形成全球供应链网络

晶圆代工厂分布于不同国家和地区(台湾、韩国、美国、德国等),带动了全球设备、材料、EDA工具、封装测试等相关产业的繁荣。

结果:全球化协作成为半导体行业的基础特征。

全球主要晶圆代工厂举例

公司名

总部

特点

台积电(TSMC)

台湾

全球最大,技术最先进(3nm量产中)

三星电子(Samsung Foundry)

韩国

技术先进,兼有存储芯片生产

联电(UMC)

台湾

主打成熟制程(28nm以上)

格罗方德(GlobalFoundries)

美国

聚焦成熟工艺(汽车、IoT芯片)

中芯国际(SMIC)

中国大陆

大陆最大,技术水平快速提升

晶圆代工模式打破了设计制造一体化的壁垒,让芯片产业进入了专业分工、高速发展的新时代。它不仅使得全球半导体创新更加活跃,也成为今天数字经济(智能手机、人工智能、云计算、汽车电子等)不可或缺的基石。

晶圆代工的发展历史

1. 1970s-1980s:一体化设计制造(IDM)时代

早期半导体行业(如英特尔、德州仪器、摩托罗拉、IBM等)实行的是IDM(Integrated Device Manufacturer)模式,即芯片设计、制造、封测一条龙自营。

当时制造设备昂贵、技术门槛极高,小公司基本没有进入制造环节的能力。

芯片产业呈现大公司主导的局面。

2. 1980年代中期:晶圆代工模式诞生

1987年,台积电(TSMC)由张忠谋在台湾创立,开创了纯制造、无设计的晶圆代工商业模式。

张忠谋认为:“未来芯片设计和制造可以分开,设计公司可以没有自己的工厂。”

台积电最初的定位是为无厂半导体公司(Fabless)提供制造服务。

同期出现的早期Fabless公司:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、NVIDIA等。

晶圆代工模式首次出现,打破了IDM一统天下的局面。

3. 1990s:晶圆代工起飞

台积电快速扩产、提升制程能力,成为全球领先的代工厂。

**联电(UMC)**也在台湾转型为专业晶圆代工企业。

美国出现了Chartered Semiconductor(后并入格罗方德)。

Fabless公司大爆发:越来越多设计公司涌现,推动了移动通信、消费电子的爆发式增长。

“Fabless + Foundry”模式成为一种新的主流模式。

4. 2000s:技术驱动,先进制程竞争

芯片设计复杂度大幅上升,对制造工艺要求更高。

晶圆代工厂开始投资巨资研发先进制程(90nm → 65nm → 45nm → 28nm)。

台积电进一步拉开与竞争对手的技术差距,成为代工龙头。

三星也开始布局晶圆代工业务。

制程节点成为Foundry竞争的焦点。

5. 2010s:超大规模、制程创新

进入**FinFET(鳍式场效应晶体管)**时代(16nm、10nm、7nm节点),晶圆代工需要巨额投资(单条产线动辄100亿美元以上)。

台积电独立支持苹果A系列芯片制造(从iPhone 6开始),逐渐成为最关键的科技公司背后的隐形支柱。

三星Foundry挑战台积电地位,开始为高通、NVIDIA等代工。

同时:

格罗方德因制程追赶困难,宣布放弃7nm及以下先进制程,专注成熟工艺。

高端制程由少数几家公司主导,资本、技术壁垒急剧升高。

6. 2020s至今:先进制程、地缘政治、全球布局

进入3nm时代,台积电、三星、英特尔(重返代工市场,成立IFS)展开正面交锋。

地缘政治紧张(中美科技战),促使晶圆代工产能开始全球多地布局(台积电赴美国、日本设厂,三星在德州投资,中芯国际在大陆加速扩张)。

新兴领域(汽车电子、AI芯片、物联网)对晶圆代工提出更多细分需求。

成熟制程(如28nm、40nm)也成为关键竞争领域,尤其在车规、工业领域。

全球晶圆代工销售排名

2024年度全球营收前10的晶圆代工企业[2] [3] [4]

Rank

公司

营运模式

总部位置

营收(百万美金)

2024

Q4 2024

Q3 2024

Q2 2024

Q1 2024

1

台积电

纯代工

台湾

26,854

23,527

20,819

18,847

2

三星半导体

IDM

韩国

3,260

3,357

3,833

3,357

3

中芯国际

纯代工

中国

2,207

2,171

1,901

1,750

4

联电

纯代工

台湾

1,867

1,873

1,756

1,737

5

格芯

纯代工

美国

1,830

1,739

1,632

1,549

6

华虹集团

纯代工

中国

1,042

982

708

673

7

高塔半导体

纯代工

以色列

381

371

351

327

8

世界先进

纯代工

台湾

357

366

342

306

9

合肥晶合

纯代工

中国

344

332

300

310

10

力积电

纯代工

台湾

333

336

320

316

晶圆代工发展阶段概览

阶段

时间

特征

一体化时代

1970s-1980s

IDM模式主导,制造封闭

模式创新期

1987年起

台积电开创Foundry模式

高速成长期

1990s

Fabless大量涌现,Foundry需求爆发

技术竞争期

2000s

先进制程成为竞争焦点

超大规模期

2010s

FinFET、EUV推进,资本技术壁垒上升

全球博弈期

2020s-至今

先进制程与地缘政治交织,全球建厂布局

参考文献

張忠謀宣布引退,一生宛如半導體發展史. [2017-11-08]. (原始内容存档于2017-11-09).

TrendForce. TrendForce:2024年第一季全球前十大晶圓代工產值季減4.3%,SMIC排名竄升至第三. TrendForce. [2024-09-10]. (原始内容存档于2024-06-12) (中文).

Technews. 三星晶圓代工市占創史上新低,韓媒憂心與台積電差距更大. Technews. [2024-12-06].

Entires个相关

三星

中芯国际

力积电

3nm 光刻工艺

Samsung

SMIC

TSMC

UMC

华虹集团

台积电

晶合集成

联华电子

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