或躍在淵,淺談台灣半導體產業今昔|大和有話說

巴斯光年

「飛向宇宙,浩瀚無垠」!還記得玩具總動員第一集,巴斯光年站在樓梯上往窗台的奮力一躍嗎?或許,台灣半導體產業也正面臨這關鍵轉折點,如同周易乾卦中「或躍在淵」的概念,躍過眼前的懸崖將飛上枝頭變鳳凰,但一失足卻會摔進萬丈深淵。台灣半導體產業在全球有口皆碑,隨著物聯網、大數據的浪潮襲來,整個產業鏈皆應謹慎應對,甚至站上風口。這次的文章,將從最基本的半導體概念、產業鏈、台灣的發展模式及產業未來的挑戰做個簡單的介紹,希望能讓大家花五分鐘就能輕鬆了解半導體產業的概況。

 

ㄧ、半導體是什麼?

台灣從1970年代開始重點發展半導體產業,時至今日,台股中的電子產業超過總市值的一半,且光是半導體產業就佔台股市值的23%。因此,半導體無疑是台股中最重要的族群,更是台灣經濟成長缺一不可的引擎。

然而,究竟半導體是什麼呢?半導體,是指導電性介於導體與絕緣體的物質,像是矽(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等元素或化合物。藉由這種要導不導的特性,用來製造電路,使電路擁有處理資訊的能力。

半導體可發展出三大類產品,分別是分離式元件、光電元件以及最常聽到的積體電路(IC, Intergrated Circuit )。而光在一顆IC中,可能就整合超過10萬個二極體、電晶體等分離式元件。詳見下圖:

半導體產品總類概覽

以目前台灣半導體市場來看,積體電路(IC)的市場規模遠超過分離式半導體及光電半導體,佔整體市場八成以上。而IC的應用領域相當廣,可分為資訊、網路通訊、消費性電子、工業醫療、車用、國防太空等。仔細探究IC產品可發現,2015年台灣IC設計產品以邏輯IC比重最高,約佔74%,類比晶片9%,微元件9%,記憶體IC則為8%。

造成上述比重懸殊的原因如下:ㄧ、邏輯IC是進行「0」、「1」計算的晶片,負責大量資料運算,是各種IC中電路最複雜的一種,晶圓廠的高階製程大多用來製造邏輯IC。二、類比晶片方面,設計難度高且台灣相關技術人才較不足,因此類比IC大多被國外廠商所壟斷。三、微元件方面,國外大廠長年佔據PC/NB為處理器,像PC採用Intel的X86微處理器,智慧型手機採用ARM處理器,這也使得台灣廠商逐漸淡出市場。四、記憶體IC則為所有半導體產品中價格波動最劇烈的,整體市場還是以韓國廠商為主導。

二、半導體產業的來龍去脈

半導體產業鏈概覽半導體產業上上游-矽晶圓製造

晶圓(wafer)是製造各式電腦晶片的基礎。有人將晶片製造比喻為用樂高積木蓋房子,透過層層堆疊,蓋出所期望的造型。然而萬丈高樓平地起,要蓋出一棟穩固的房子一定要有平穩的基板。晶圓,正是扮演整個晶片的基板角色,用單晶所製成的晶圓具有原子緊密排列的特性,可形成一個平整的原子表層。

由於自然界中並沒有矽元素,因此需透過提煉方式取得。第一步為冶金級純化,將石英砂(二氧化矽, SiO2)氧化還原成冶金級矽(使矽純度達98%以上)。然而,該純度還不夠拿來製作精密電路IC。第二步,再透過西門子製程作純化,將冶金級矽轉化為多晶矽(純度達99.999999999%, 11N)。

接著,將多晶矽融化,形成液態的矽。透過「拉晶」,圓柱狀的矽柱就完成了。然而,一整條的矽柱並無法做成晶片製造的基板,因此必須像馬鈴薯切洋芋片的方式,用鑽石刀往矽柱橫向切成圓片,晶片基板的製造才算完成。而大家常聽到的8吋、12吋晶圓指的是該圓片的直徑,越大尺寸的晶柱越難拉晶,所以12吋晶圓的技術難度就相對高於8吋晶圓了。

半導體產業上游-IC設計

整個IC設計流程依序分為五個步驟。ㄧ、規格制定:客戶(品牌商)與IC設計工程師確認設計規格。二、邏輯設計:透過軟體完成邏輯設計圖。三、電路布局:將邏輯設計圖轉換為佈滿二極體、電晶體的電路圖。四、布局後模擬:測試是否吻合規格製定。五、光罩製作:將這些電路設計圖製作成光罩(可以把它想像成拍照的底片,有了底片就可以洗出無數張照片),之後就將光罩送往中游的IC製造公司囉。

半導體產業中游-IC製造

半導體產業鏈中游-IC製程

IC製造流程可分為五個步驟:第ㄧ、在晶圓上鍍上薄膜,第二、在晶圓上再塗一層光阻(感光層)。第三、將強光照射至光罩上,使不要的光阻照到光,讓該出現的電路出現。第四、將沒有光阻覆蓋的薄膜沖蝕。第五、將剩餘的光阻去除,剩下的薄膜就是電路了。然而,實際上並沒有那麼簡單。光罩是由好幾十層構成的,每層所需的薄膜材質也不一樣,以上步驟必須不斷循環數十次,才可完成一片IC。

半導體產業下游-封裝測試

製作完IC後,就到了封裝階段。封裝可分為四個步驟,第一、切割:將IC製造公司製好的一片片圓形的晶圓切割成一顆顆長方形的IC。第二、黏貼:將IC黏貼至PCB(就4綠綠的那片主機板)上。第三、焊接:將IC的小接腳焊接到PCB上,才能跟主機板相容。第四、模封:將接腳模封起來。封裝結束後,接著測試通過,就可出貨給組裝廠,完成我們所見的電子產品,整個產業鏈就走一輪了!

三、台灣半導體的發展狀況

半導體產業具有資金密集、技術密集、高風險高報酬等產業特性,因此美、日、韓等三大半導體大國大都採上下游垂直整合製造(Integrated Device Manufacture, IDM)來運營,從上游的IC設計、IC製造到IC封測全部一手包辦。著名大廠有美國Intel、TI德州儀器、ST意法半導體、專攻DRAM的韓國三星及SK Hynix、日本的NEC、Toshiba等。這種垂直整合模式對於企業內部整合相當有優勢,可以加速商品上市時間,且因為涵蓋最前段的商品設計及後端的品牌開發,所以毛利也相對優異。

台灣,則走出一條完全不同的路。台灣早期因為資金有限走不了IDM模式,因此採取垂直分工,讓上下游各具專長的公司協同完成半導體產業的製作工序。而這樣專注於本業經營的垂直分工亦有好處,ㄧ為當整體市場環境不佳時,應變能力相對IDM強。如08年金融海嘯時,影響擴及產業面,當時國際大廠Intel、國家半導體(National Semiconductor)、恩智浦(NXP)、科磊、瑞薩電子(Renesas)、富士通、亞德諾(ADI)陸陸續續關掉6吋、8吋的舊廠,開始將先進製程移交給外面的晶圓代工廠,當時台積電、聯電就取得不少IDM的訂單。

二為垂直分工相對垂直整合更具成本競爭優勢。半導體產業是個大者恆大的寡占市場,隨著技術不斷進步,及許多傳統IDM公司開始轉型成將產能委由晶圓代工廠的「輕晶圓」(Fab-lite)或是「無晶圓」(Fabless)模式。台灣廠商過去專注於晶圓代工及封測,規模經濟日益顯見,2009年台積電的資本支出為26.7億美元,到了2015年已達98億美元,今年更上看百億美元,這也使得其他廠商進入不易或是邊緣化。

 

四、飛向宇宙,浩瀚無垠?

在垂直分工策略奏效之下,台灣晶圓代工產值市佔率全球第一、IC封測產值市佔率全球第一、IC設計產值市佔率全球第二,僅次於美國。然而,近年中國政策大力扶植半導體產業,像是2014年發表的「國家積體電路產業發展推進綱要」及2015年的「中國製造2025」都為台灣半導體產業帶來威脅,政策明訂2020年大陸IC內需市場自製率將達40%,2025年將達70%,其深厚的內需市場、市場監管及政策威脅利誘,中國要彎道超車其實並非難事。

另一方面,從2015年開始,整個半導體產業相較2014年衰退。半導體過去幾年受惠於智慧型手機、PC的崛起,使得該產業總是能穩定地成長。只不過,隨著產品開始步入成熟期階段,市場飽和、新興市場需求減弱之下成長將日漸放緩。然而,根據國際半導體協會(SEMI)2016上半年公佈的B/B值(Book-to-Bill Ratio,訂單出貨比)顯示,今年已連續六個月數值皆大於一,開始擺脫去年的半導體衰退,景氣日益回升。不過,在下一波破壞式創新終端產品出現前,應該不會有大幅度的成長。那麼,下一波熱潮在哪裡呢?自2013年德國提出工業4.0概念之後,美、日、中、韓、台等各國在近年來亦陸續推動相關政策大力扶植。在未來,半導體產業所期待的成長動能不再僅限於PC、手機了,而是以大數據、物聯網概念為主軸所發展的智慧製造、智慧健康、智慧家庭、智慧車、智慧交通等。而關於工業4.0的概念,我之後會再做一個專題介紹!

參考資料

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  2. 李淑蓮,2016,2016年半導體市場觀察察http://www.naipo.com/Portals/1/web_tw/Knowledge_Center/Industry_Economy/publish-479.htm,搜尋日期:2016年8月2日。
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  4. 吳政道,2015,【半導體科普】IC晶片的製造,層層打造的高科技工藝http://technews.tw/2015/07/25/ic-wafer/,搜尋日期:2016年8月2日。
  5. 吳政道,2015,【半導體科普】封裝,IC晶片的最終防護與統整http://technews.tw/2015/08/08/packaging-ic-chip-final-protection/,搜尋日期:2016年8月2日。
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  9. Jeff,2011,半導體產業概論-半導體產業上中下游介紹http://goo.gl/SDQWlU,搜尋日期:2016年8月3日。
  10. Jeff,2011,半導體產業概論-半導體總類http://zhe09.pixnet.net/blog/post/50916049,搜尋日期:2016年8月3日。


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