IC 設計是什麼？半導體產業鏈有哪些？IC 設計、IC 製造、IC 封測全解析！

在台積電 ( 2330 ) – 全球半導體霸主！營運概況、公司簡介一文中，我們跟你提到了 半導體產業的重要性，以及發展階段。那麼接下來，我們要教你看懂半導體產業鏈。要看懂半導體產業鏈，首先你一定要認識 IC 晶片的生產過程，就讓股感帶你先快速了解一下「 IC 晶片」的生產過程吧！

IC 晶片的生產過程，簡單來說就是把設計好的電路圖，轉移到半導體（Semiconductor）做成的晶圓（Wafer）上，經過一連串的程序後，在晶圓表面上形成積體電路（IC，Integrated Circuit），再切割成一片一片的裸晶/晶粒（Die），最後把這些裸晶／晶粒用外殼包起來保護好，形成最終的晶片（Chip）。

編按：2023/11/15 更新，產科國際所預估 IC 設計業今年產值 1.07 兆元，年減 12.9%；IC 封裝業產值3,926 億元，年減 15.8%；IC 測試業產值 1,904 億元，年減 12.9%。預估台灣半導體 2023 年總產值約 4.3 兆元，年減 11.2%，降幅低於 8 月時預估的 12.7%。

半導體產業鏈介紹

一個 IC 晶片從無到有，大概就依序分為下面 3 個階段，而這 3 個階段，就是所謂半導體產業的上、中、下游：

1. 「設計圖」
2. 把電路弄到「晶圓」上形成 IC
3. 切成「裸晶」再包起來變成「晶片」。

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IC 設計是什麼？

「晶片」是用來處理資訊的完整電路系統，在製造晶片之前，總得先知道要製造什麼晶片吧？因此工程師必須根據需求，先規劃好晶片需要具備的功能，以及這些功能要分佈在晶片上的哪些區域，再使用「硬體描述語言」（HDL，Hardware Description Language）把晶片功能描寫成程式碼，接著經由「電子設計自動化」（EDA，Electronic Design Automation）工具，讓電腦把程式碼轉換成電路圖。

為了限制中國製造先進晶片的能力，美國準備對 EDA 軟體實施新的出口限制。EDA 是設計和製造最先進的人工智慧晶片至關重要的下一代技術，這是使用「Gate-all-around」（GAA）新技術製造晶片所必需的。美國政府的目標是，阻止將設計工具出售給追求人工智慧應用的中國公司。在這之前，美國也說服荷蘭，阻止 ASML 向中國出售其先進的極紫外光微影系統。

晶片依據功能的不同，可以分成 4 大類：

1. 記憶體 IC（Memory IC）：用來儲存資料。依據停止供電後，資料是否能繼續儲存。
2. 微元件 IC（Micro Component IC）：具有特殊資料處理功能的元件。
3. 邏輯 IC（Logic IC）：進行邏輯運算的 IC。
4. 類比 IC（Analog IC）：處理類比訊號的 IC。

而上述 4 大類別中，又可以細分出其他子類，請先參考下圖，我們等等會一項項為你說明。

半導體產業上游：IC 設計產業鏈

既然有各種不同功能類型的晶片，這些晶片的設計 Know How 當然也不會相同，因此「 IC 設計公司」也根據設計的 IC 產品類別不同，分為：記憶體 IC、微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 這 4 大類，如上表的股感小科普所述。

而就像唱片一樣，有價值的不是唱片本身，而是唱片中的歌曲如何做出的 Know How，也就是「智慧財產權」（Intellectual Property）；IC 設計也是如此，有價值的不是電路設計圖，而是設計圖背後的 Know How，由於半導體的主流成分是「矽」（Silicon），所以 IC 設計的智慧財產權，稱為「矽智財」（SIP，Silicon Intellectual Property）。

「IC 設計公司」（Design House）的營運重心，主要包含 2 大部分：晶片的「電路設計」與「晶片銷售」。也就是把晶片設計好後，找代工廠把晶片製造出來，再拿去賣

這整個流程如果每個環節都自己來，是很費時費力的，所以有些 ic 設計廠商，只把完整的「功能單元」（Function Unit）或「區塊」（Block）設計好，而不把晶片做出來，以授權的方式販賣給他人使用，使用者只要支付「授權費」（License Fee）就可以使用這些設計圖。也就是只賣設計圖或指令架構、不販售自己的晶片，稱為「矽智財 （SIP）供應商」，例如：ARM。

另外，有些 ic 設計廠商，也會把設計的某些環節外包給「ic 設計服務公司」（IC Design Service）。「ic 設計服務公司」與「ic 設計公司」最大的不同，就在於「ic 設計服務公司」沒有屬於自己的晶片產品，也沒有晶圓廠，只為 ic 設計公司提供部分流程的代工服務，解決晶片設計開發時遇到的問題，也就是 ic 設計的外包公司，又稱為 「沒有晶片的公司」（Chipless）。

而「ic 設計服務公司」的營收來源，主要包含 3 塊：

1. 矽智財（SIP）出售：將所開發完成的 IP 技術，授權或出售給需要的 ic 設計公司；而專門販賣矽智財的就是「矽智財供應商」。
2. 委外設計（NRE，Non-Recurring Engineering）：接受客戶外包的設計 IC 服務。
3. 統包（Turn-Key）： ic 設計完成後進入生產階段，如果客戶不擅長與代工廠往來，就由 ic 設計服務公司代為處理生產製造的業務。

除此之外， ic 設計產業中，工程師在設計 IC 時，除了 ic 設計本身，還會使用到像是 EDA 這樣的「ic 設計工具」，也是半導體產業鏈上游 ic 設計的一環。

IC 製造是什麼？

前面，我們已經跟你介紹了 IC 的種類，以及設計上的製程，接著來看看實際「製造」時的製程吧！當 ic設計完成後，就要進入生產階段，也就是 IC 製造，這個階段正是產業半導體產業鏈的中游段。而 IC 製造簡單來說，就是「晶圓代工廠」要「把設計好的電路圖，實際轉移到半導體晶圓上」。

那 IC 製造流程怎麼走？首先，把設計圖轉移到晶圓上的 IC 製造過程大致分成 6 個階段，依序為：晶圓、靶材濺鍍、塗佈光阻、光罩微影、蝕刻、去除光阻，如下表。

既然是要把電路圖弄到晶圓上，首先當然要有「晶圓」，如果自己沒有生產晶圓，生產晶片的「晶圓代工廠」，就要先跟生產晶圓的「晶圓廠」拿到「晶圓」；而電路設計圖我們已經知道是從 ic設計公司那邊拿來。

拿到晶圓後，要先在晶圓表面鍍上一層金屬薄膜，那層薄膜的材料就稱為「靶材」（Target），而這層薄膜最終會形成電路。

至於要怎麼把電路設計圖弄到晶圓上？我們看到的晶片都超小一個，但電路設計圖很大一張，所以要透過光學原理，利用「光罩」和「紫外光」把電路縮小、轉印到晶圓上。

什麼意思？就是先把電路設計圖，以電子束刻在石英片上，做成「光罩」。然後像照片一樣，在濺鍍好薄膜的晶圓表面上，再塗上一層稱為「光阻」的感光層，接著透過「紫外光」和「凸透鏡」把光罩上的電路圖縮小、轉印到晶圓表面的光阻上。

紫外光照射的過程中，沒有被光罩擋住的地方，紫外光會照射到光阻上，把光阻破壞，除去這些被破壞的光阻後，透過蝕刻，把沒有受光阻保護的金屬薄膜清除掉，剩下來的金屬薄膜就是設計圖上的電路了，這樣一來就已經把電路圖弄到晶圓上，最後再把留下來的金屬薄膜上方的光阻去除。

半導體產業中游：IC 製造產業鏈

從 4 大類 IC 類別：記憶體 IC、微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 中，可以發現，微元件 IC、邏輯 IC、類比 IC 這 3 類主要功能在於資料處理和運算，而記憶體 IC 主要功能則在於資料儲存。因此，生產晶片的 IC 製造廠一般又分為 2 大宗：「晶圓代工」和「記憶體製造」。

而且應該不難想像，製造晶片的 IC 製造廠，在把電路轉印到晶圓的過程中，會需要用到各式各樣的「IC 製造設備」；製程中還有一些重要的「IC 製造材料」，像是：基本材料「晶圓」、濺鍍在晶圓上作為電路的金屬薄膜「靶材」、轉印電路圖用的「光罩」，以及光阻等「化學品」。這些「IC 製造設備」和「「IC 製造材料」」也都是中游-IC 產業中的一環。

IC 封測是什麼？

當成功把設計圖上的電路，弄到晶圓上形成 IC 後，接著就是要「測試」和「封裝」。也就是要測試這些 IC 能不能用，然後把晶圓上的 IC 切下來變成一片一片的裸晶/晶粒，因為這些裸晶很脆弱，如果 IC 經過測試後是能用的，就要用外殼把它包起來保護好，也就是封裝，成為最終的成品「晶片」。

💡 瞭解更多 IC 封測 >> 什麼是 IC 封測：封裝與測試的流程步驟

IC 的封裝方式非常多，而且不斷在進步，這邊僅介紹基本的幾種類型。

「IC & IC 載版」的連接

IC & IC 載版的連接有「打線封裝」和「覆晶封裝」：

1. 「打線封裝」（WB，Wire Bond）：透過「金線」把 IC 上的連接點跟 IC 載版 或 導線架 連接起來。如果是以導線架封裝，晶片內部的 IC 便是藉由導線架，從內部直接連接到外部的 PCB 上。
2. 「覆晶封裝」（FC，Flip Chip）：在 IC 的連接點上接合「錫球凸塊」（Solder Bump），再把 IC 翻覆，讓 IC 上的凸塊與 IC 載版連接起來。

「IC 載版 & PCB」的連接

IC 載版 & PCB 的連接，基本有 BGA、PGA、LGA：

1. 「球型陣列封裝」（BGA，Ball Grid Array）：以 IC 基板上的錫球凸塊與 PCB 連接。
2. 「針型陣列封裝」（PGA，Pin Grid Array） ：以 IC 基板上的針狀插腳與 PCB 連接。
3. 「平面陣列封裝（LGA，Land Grid Array）：以 IC 基板上以金屬平面觸點與 PCB 連接。

半導體產業下游：IC 封測產業鏈

當然，IC 封測廠商在進行「晶片測試」和「晶片封裝」時，也會用到「晶片測試設備」和「晶片封裝設備」，以及封裝時還會用到各種「晶片封裝材料」，像是：IC 載版、導線架、錫球、金線，以及封裝膠、封裝外殼等模封材料。

IC 產業商業模式

而整個半導體 IC 產業鏈，主要就分成：上游-IC 設計、中游-IC 製造、下游-IC 封測。而根據半導體公司的營運範圍，大致可分成 3 種商業模式：IDM、Foundry、Fabless ，下面簡單為你介紹。

整合元件製造商（IDM，Integrated Device Manufacturer）

就是上、中、下游全都自己做，從 ic設計、製造、封裝、測試到銷售全部一手包辦的半導體公司。像是：英特爾（Intel）、德州儀器（Texas Instruments）、三星（Samsung）。

早期的半導體公司多半是 IDM 廠商，但隨著 IC 晶片的設計和製作越來越複雜，要單獨從上游到下游全包的難度與費用也越來越高。因此 1980 年代末期，半導體產業逐漸轉向專業分工模式，有些公司專門做設計，然後交由其他公司製造和封裝測試。

晶圓代工/封測廠（Foundry / Assembly and Test）

「有工廠」的半導體公司，只負責製造、封裝、測試的部分環節，不負責晶片設計，可以同時為多家設計公司提供服務。像是：晶圓代工 – 台積電、聯電、格羅方德（GlobalFoundries）；封裝測試 – 日月光、矽品。

無廠半導體公司（Fabless）

「沒有工廠」的 ic設計公司，只負責晶片的電路設計和銷售，將生產、測試、封裝等環節外包。像是：聯發科、高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）。

另外，前面有提到過，有些公司除了「沒有工廠」（Fabless）， 也「沒有自己的晶片產品」（Chipless），也就是 ic 設計服務公司。

半導體產業，你了解了嗎？

透過這篇文章，一口氣簡要地認識了半導體產業鏈的：上游-IC 設計、中游-IC 製造、下游-IC 封測，以及半導體產業的商業模式：IDM、Foundry、Fabless、Design Service。不知道現在，你是不是對台灣最重要的半導體產業輪廓，開始有了初步的了解了呢？

接著，我們將進一步帶你認識護國神山的主要業務「晶圓代工」，請有興趣完整認識台積電的你接著閱讀>>晶圓 代工是什麼？圖解晶圓代工流程

【延伸閱讀】

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• MEMS（微機電系統）是什麼？MEMS 概念股有哪些？MEMS 產業分析！