半導體產業大解密
日期：2020/10/27
文：B.H. Huang / 校稿: Y.C. Lo
閱讀程度：簡單
每次看科技業新聞，總是看到各種標題寫著台積電又突破了幾奈米，或是聯發科殺入某 5G 市場，雖然每間都是半導體產業的公司，而且看起來都很厲害，但其實他們做著完全不一樣的事，而且有非常縝密的分工喔，今天 SemiKnow 就帶大家認識半導體產業的上下游到底在做什麼、又是如何進行分工的，那就讓我們開始吧！
IC 晶片如何從無到有？
大家經常聽到的「IC」的原名即是 Integrated circuit，也就是在上一篇文章提過的「積體電路」，透過將數億個電晶體放到小小的IC上，就可以完成各式各樣的功能，但這樣一顆 IC 究竟是如何生產出來的呢？在半導體產業從上游到下游，我們可以大致把生產流程區分為負責電路設計的「IC設計」、進行晶圓代工的「IC製造」、最後封裝測試的「IC封測」，以下我們將一一介紹這三種有何不同。
IC 設計：電路的編織工藝家
在3C產品裡有各種不同功能的晶片，大致分為數位以及類比兩種晶片，有的負責儲存資料，有的則進行高速運算，因此在一開始我們必須先決定一顆IC的功能和規格，再進行電路設計，此即為「IC設計」。
由於類比晶片的設計方法比較複雜，接下我們只會介紹數位晶片的設計流程！（Y編在《三分鐘搞懂半導體是什麼》提到在積體電路上，有幾十億個電晶體，並以複雜的網路連接在一起。因此想當然爾，這麼困難的設計，是絕對無法單靠人腦的聰明才智完成的，那麼這些 IC 設計工程師們究竟是如何完成這個艱鉅的任務呢？那就是靠著電腦輔助設計工具來幫忙啦！接下來我們將會介紹 IC 設計的三大層次「程式碼、電路、電晶體設計圖」
一但確認完電路的規格之後，IC 設計師們就會開始撰寫一種叫做「硬體描述語言 HDL」的程式碼，目的就是將電路的功能與規格描述成電腦工具看得懂的形式。只要我們定義好電路的輸入與輸出，再描述電路輸入與輸出之間的關係，就變成一個實際可以運作的電路啦！
當我們準備好電路的程式之後，我們就可以利用電腦工具轉換成電路圖，這個時候電路的雛形也就慢慢形成了。
最後，我們將得到的電路圖草稿再經過電腦工具的繪製，就變成一顆顆由電晶體形成的平面設計圖，這時候我們就可以把這個設計圖交給 IC 製造的廠商製作啦！
幾十億顆電晶體在小小幾吋的面積上，進行複雜的串聯並聯的連結，就如同一張多層次、交織綿密的網，而IC設計工程師的工作就是把這張網梳理好，除了要思考每個訊號之間的邏輯關係、確保它能正常執行外，還要能被放到夠小的面積裡，因此可說是相當燒腦的工作呀！
IC 製造：請叫我建築師巴布
完成電路的設計圖後，接著要實際把整個電路做在晶片上，也就進入 IC 製造的階段。那麼要如何在晶片上製作電路呢？大家可以想像這是在晶片上蓋一座「超大型多層次的城市」，這座城市有好幾層，每層都有各種不同長寬高的建築物，彼此用無數條公路連接在一起。
由於我們已經從IC設計師那拿到城市的設計圖了，因此我們也知道哪些地方要蓋大樓、哪些是公路 ，接著把整個城市圖印在晶片上，就可以在規劃好的區域長我們要的材料，同時把該是道路的地方挖掉，重複這些步驟把電晶體堆疊起來後，就可以得到一顆精密複雜的 IC。
這樣聽起來感覺 IC 製造好像很簡單，然而上述提到的都是在奈米等級下的工程，每一顆電晶體都比你的頭髮還要細；假如有任何粉塵掉到晶片上，可能就會直接壓垮這顆 IC 城市，而且在奈米尺度下，許多物理化學定律都會與我們平常的生活經驗不一樣，因此，像台積電這樣的公司在處理的都是「量子力學」這種誰也說不清楚的問題呢~
IC 封測：老闆這顆IC可以幫我包一下嗎
如同蘋果公司裡有所謂的「包裝工程師」為每個 Apple 產品的包裝做設計，在半導體產業的下游也有專門的公司針對 IC 進行封裝與測試。封測公司從 IC 製造商那邊拿到的其實是一整片圓形的晶圓，因此第一步是對晶圓上面每一顆 IC 進行測試，能正常運作的才會進行後續步驟。
確認能正常運作後，就會把晶圓切割成一粒粒的「晶粒」，再用塑膠殼或陶瓷殼把這些晶粒包起來，接著再測試一次封裝後的 IC 仍正常運作後，整顆 IC 的生產就算大功告成了。
在IC封測的環節，除了要注意外殼是否有靜電或過熱的狀況外，由於現在電晶體越做越小，前後的測試技術也變得越來越困難，再加上電路板上只要有一顆IC壞掉，就要整片重換一組，因此身為最後一步品質控管的IC 封測就顯得相當重要了。
天下大勢，合久必分，分久必合
話說當年的半導體產業呀，其實從IC設計、製造到最後的封測都是自己來的，例如老字號的英特爾Intel和三星Samsung，然而後來電晶體的尺寸越來越小，每個步驟開始變得非常複雜，一家公司難以同時兼顧，於是開始出現了產業的專業分工，台灣也是在這時候進入電子業的快速成長期。
巧妙的是，近幾年由於 IC 能佔的面積越來越小，開始出現所謂的「3D IC」，將不同功能的 IC 直接堆疊在一起，而一般的封裝技術難以滿足這樣需求，於是像台積電也開始發展自己的先進封裝技術，可以預見未來可能又會進入半導體上下游整合的時代。
以上即是半導體產業的分工方式，想必你們已經對IC晶片的生產有概念了，下次我們將會介紹半導體產業發展的神奇規律：「摩爾定律—Moore’s Law」。
