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如何降低流片成本?

2023-04-26

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半导体行业观察


芯片行业对于流片(Tape-out)都不陌生。


所谓流片,就是像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片,简单来说就是芯片公司讲设计好的方案,交给晶圆制造厂,先生产少量样品,检测一下设计的芯片能不能用,根据测试结果决定是否要优化或大规模生产。所以为了测试集成电路设计是否成功,必须进行流片,这也是芯片设计企业一般都在前期需要投入很大成本的重要原因。


一颗芯片从设计到量产,流片是非常关键的环节。当芯片完全设计出来以后需要按照图纸在晶圆上进行蚀刻,采用什么样的制程工艺,多大尺寸的晶圆,芯片的复杂程度都会影响这颗芯片的流片成功率和成本,而且许多芯片都不是一次就能流片成功的,往往需要进行多次流片才能获得较为理想的效果。


但流片是一件非常烧钱的事,有芯片大厂算过一笔账,14nm工艺芯片,流片一次需要300万美元左右,7nm工艺芯片,流片一次需要3,000万美元,5nm工艺芯片,流片一次更是达到4,725万美元。可见,流片对于芯片设计企业来说是一笔巨大花费,尤其是对于行业中小企业来讲,实际流片的价格比大厂又高很多,让本不富裕的“生活”更是雪上加霜。



流片为什么这么贵?


那芯片流片的价格为什么这么贵?


这就要提到芯片的制造原理了。芯片制造要在很小的芯片里放上亿个晶体管,制造工艺已经到了纳米级,只能用光刻来完成。光刻就是用光刻出想要的图形,光刻需要用到掩膜版(又称光罩,Mask),掩膜版就是把设计好的电路图雕刻在上面,让光通过后,在晶圆上刻出图形。


流片贵,一方面是因为刚开始有许多工艺需要验证,从一个电路图到一块芯片,检验每一个工艺步骤是否可行,检验电路是否具备所要的性能和功能。芯片流片过程至少持续三个月(包括原料准备、光刻、掺杂、电镀、封装测试),一般要经过1,000多道工艺,生产周期较长,因此也是芯片制造中最重要最耗钱的环节。


如果流片成功,就可以据此大规模地制造芯片;反之,就需要找出其中的原因,并进行相应的优化设计。


其中,芯片流片贵,主要贵在掩膜版和晶圆,这两项价格不菲且都是消耗品,其中掩膜版最贵,一套中端工艺制程的掩膜版价格大约在50万美元左右,而一片晶圆的价额也在数千美元。


掩膜贵还是晶圆贵?


掩膜版是微电子制造过程中的图形转移工具或母版,其功能类似于传统照相机的“底片”,根据客户所需要的图形,通过光刻制版工艺,将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上,是承载图形设计和工艺技术等内容的载体。


这种从掩膜版的图形转换到晶圆上的过程,有点类似印钞机的工作流程。把光刻机想象成印钞机,晶圆相当于印钞纸,掩膜就是印版,把钞票母版的图形印到纸张上的过程,就像光刻机把掩膜版上的芯片图形印到晶圆上一样。


掩膜版的价格主要取决于芯片所选用的“工艺节点”,工艺节点越高、流片价格就越贵。这是因为越先进的工艺节点,所需要使用的掩膜版层数就越多。据了解,在14nm工艺制程上,大约需要60张掩膜版,7nm可能需要80张甚至上百张掩膜版。


掩膜版层数多了,不仅仅是因为掩膜板的价格贵,还因为每多出一层 “掩膜板”,就要多进行一次“光刻”,就要再多涂抹一次 “光刻胶”,就要再多一次 “曝光”,然后再来一次 “显影” ...,整个流程下来耗费的成本就大大增加了。


据IBS数据显示,在16/14nm制程中,所用掩膜成本在500万美元左右,到7nm制程时,掩膜成本迅速升至1500万美元。


掩膜版的总体费用,包括石英,光刻胶等原材料的成本,Mask Writer和Inspection等机台的使用成本,另外还有掩膜版相关数据的生成,包括OPC、MDP等软件授权、服务器使用和人工开发成本等等。对于一款芯片,动辄几十层的掩膜版,需要如此多的步骤,设备、软件、人员缺一不可,费用自然昂贵。


据业内人士透露,某晶圆代工厂(Foundry) 40nm流片的光罩成本大约60-90万美元;进入量产之后,每片晶圆可能3000-4000美元左右,所以,当前期生产5-25片进行产品验证用,Mask成本是主要的;如果量产很多,Mask的成本平摊到每片晶圆以后就很少了,那么则是晶圆主导成本。准确的说应该是平均到每一颗芯片上的费用便宜了,而不是总的流片费用便宜了。


如何降低流片成本?


上述种种因素影响下,芯片流片费用成为摆在设计企业面前的一个难题。那么,面对流片价格高的问题,有没有什么办法来降低成本?


MPW (Multi Project Wafer) 就是一种可以帮助设计企业降低成本的流片方式。MPW是指由多个项目共享某个晶圆,同一次制造流程可以承担多个IC设计的制造任务,将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆上流片,制造完成后,每个设计可以得到数十片芯片样品,这一数量对于原型设计阶段的实验、测试已经足够。


通俗来讲就是几家公司或机构一起购买一套掩膜版,然后生产出来的同一片晶圆上会同时存在有好几款芯片,待晶圆切割后,再把各自的芯片“领回家”。而该次制造费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊,极大地降低了产品开发风险。


MPW有一定的流程,通常由晶圆代工厂或者第三方服务机构来进行组织,各种工艺在某一年之中的MPW时间点是预先设定好的,通常是越先进的工艺,安排的MPW频率越高。晶圆代工厂事先会将晶圆划好多个区域并报价,各家公司根据自己情况去预订一个或多个区域。


这对参与者来说,在设计和开发方面有一定的进度压力。但是相比之下,MPW带来的好处是显而易见的,采用多项目晶圆能够降低芯片的生产成本,为设计人员提供实践机会,并促进了芯片设计的成果转化,对IC设计人才的培训,中小设计公司的发展,以及新产品的开发研制都有相当大的促进作用。


对比来看,共享Mask的好处就是省钱,但是可能要等代工厂的时间节点,需要更多的时间。对于那些不差钱或赶时间的企业当然可以自己利用一套Mask(Full- Mask,全掩膜),制造流程中的全部掩膜都为自己的设计来服务,通常用于设计定型后的量产阶段。机器一响,黄金万两。


因此,提升一次流片的成功率,也是降低流片成本的重要因素。



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