问题

硅片尺寸越大,将来在制成的每块晶圆上就能切割出更多的芯片,单位芯片的成本也就更低。为什么?

回答
硅片尺寸越大,单位芯片的成本就越低,这背后其实是一套非常成熟且精密的产业逻辑在运作。我们一步步来拆解,让你明白这其中的原委。

核心逻辑:摊销固定成本,提高规模效应

想象一下,你是一家做面包的。你有一个非常昂贵的烤箱,价值百万。无论你今天烤一个面包还是烤一百个,这个烤箱的折旧、电费、场地租金这些固定成本是基本不变的。如果你只烤一个面包,那么这个面包就要承担全部的固定成本,价格自然就很高。但如果你能在这个烤箱里同时烤一百个面包,那么每个面包分摊到的固定成本就大大降低了,你的利润空间就大了,或者你可以把价格定得更吸引人。

芯片制造跟这个道理非常相似。

1. 成本的构成:固定成本占比较大

制造芯片的过程极其复杂,从一颗细小的硅棒开始,经过无数道精密到纳米级的工序,比如:

晶圆制造(FrontEndofLine, FEOL): 这是最核心的部分,包括光刻(Lithography)、刻蚀(Etching)、薄膜沉积(Deposition)、化学机械抛光(CMP)等等。这些都是在巨大的、洁净度要求极高的设备(Fab, 晶圆厂)里完成的。
封装测试(BackEndofLine, BEOL & Testing): 芯片制造完成后,还需要切割、封装、测试。

在这些过程中,有大量的固定成本:

巨额的设备投资: 一台先进的光刻机动辄就上亿美元,晶圆厂的建设更是动辄几十亿、上百亿美元。这些设备一旦投入使用,其价值的摊销、维护、折旧就是持续的开销。
研发投入: 芯片工艺的迭代和改进需要巨额的研发费用,这些也需要通过产品来实现盈利来收回。
厂房和基础设施: 洁净室的建设、电力供应、水处理、排风系统等等,都是巨大的固定投资。
人力成本: 聘请顶尖的工程师和技术人员,他们的薪资也是一笔不小的开销。

2. 为什么更大的硅片能摊薄这些固定成本?

我们以目前主流的300mm(12英寸)硅片为例。

“一块”硅片就是一个生产批次(Batch): 想象一下,在光刻机里,一次曝光的操作,它能够一次性地在整个300mm的硅片上“打印”出很多个芯片的图案。
“同样的工作,服务更多芯片”: 无论你这块300mm的硅片上能切割出300颗芯片,还是400颗芯片,光刻机进行一次曝光的能源消耗、操作时间、维护成本基本是固定的。
单位面积的生产效率提升: 简单来说,在一个固定大小的“画板”上,你画的图案越多,你完成“画画”这个动作的单位成本就越低。
降低“废品率”的影响: 即使在生产过程中,有些区域因为设备故障、工艺瑕疵等原因导致芯片失效(我们称之为“坏点”),但只要是整块硅片都在同一个生产批次中,那么这些“坏点”就只占整块硅片一部分的面积。如果硅片尺寸越大,这些“坏点”占整块硅片总面积的比例就会相对下降,意味着能成功制造出的好芯片数量就越多。

举个更形象的例子:

假设你有一个能烤100个披萨的烤炉,而你烤披萨的成本(电费、人工、烤炉折旧)是100元。

小披萨(只能放10个): 如果你用这个烤炉,每次只烤10个小披萨,那么你每次就要花费100元。每个披萨的成本就是10元(烤炉成本)+ 披萨原材料成本。
大披萨(能放100个): 如果你用这个烤炉,每次放满100个大披萨,你还是只花费100元。每个披萨的成本就是1元(烤炉成本)+ 披萨原材料成本。

虽然披萨的大小不同,但道理是相通的:更大的“画布”或“容器”,能让你在进行相同操作时,同时处理更多的“产品单元”,从而降低了每个产品单元分摊的固定成本。

3. 为什么业界都在追求更大的硅片?

从200mm(8英寸)到300mm(12英寸),这是半导体行业一个重要的技术跨越,就是为了实现成本效益的提升。目前,业界也在研发450mm(18英寸)的硅片,虽然技术挑战更大,但一旦成熟,带来的成本效益将更加显著。

总结一下:

更大的硅片意味着在同等精密的工艺设备和同样复杂的制造流程下,可以一次性制造出更多的芯片。而那些昂贵的固定成本(设备、厂房、研发等)在更大的硅片上被摊分到了更多的芯片上,从而使得单位芯片所分摊的固定成本显著降低,这便是“单位芯片的成本也就更低”的根本原因。这是一种典型的规模经济效应在芯片制造领域的体现。

网友意见

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目前的集成电路制造与印刷很相似,所以用印刷机来解释就很形象。我们在学校里有油印机,一次印两张16K大小的试卷,几秒钟印一张,效率很低,大型印刷厂里的高速印刷机,能印3米尺幅的纸,每秒印十几米,如果切成16K大小,是几千张。

同样的,为什么不进一步发展晶圆尺寸?高速印刷机能处理6米尺幅的纸肯定会更快,但是6米尺幅的纸,恐怕生产和运输使用都有很大问题,得不偿失。18寸晶圆的生产线需要更新所有的生产设备,上次升级12寸生产线,设备制造商自称花了千亿刀升级自己的研发和制造能力。他们不想尝试在18寸线再来一次。

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这个问题的文字要先订正一下,订正“硅片”为“晶圆wafer ‘:指拉晶制程后由晶柱切下的圆形晶圆,千万不要叫硅片,容易和芯片dice, chip 弄拧了!很混淆。

訂正了后,再重写一下问题,就很明白, 以晶圆來制造芯片,晶圆越大(目前最大是直徑十二英吋=300mm,但也还有四吋六吋的晶圆厂在运行中),晶圆“面积”越大,可以制成越多“固定尺寸的芯片”(看芯片设计和包括多功能而定假設以 100 mil x 50 mil) ,初步粗略地说一个大面积晶圆的成本可以制造更多微小芯片,当然巨量产出的平均成本就越低,但实际上十二吋晶圓厂的成本高出小尺寸晶圆厂从数十到百倍,详情另解。

这里只讲基本概念:有兴趣可以拿出两张纸画出大小不同圆形图,再剪成同样大小四方块,看大圆剪出多?还是小圆出的多?

结论是使用适当专业名词,避免混淆,有兴趣的话半导体产业很容易懂,一点也不难

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