T公司常规芯片成本的预测与分析.pdf

辽宁青年 2023 年 02 月 第 04 期 综合论坛241T 公司常规芯片成本的预测与分析耿旭东上海理工大学 上海 200093摘要：本文基于现有的芯片成本相关数据，对 T 公司的常规芯片成本进行估算与预测，并对半导体行业内芯片市场的未来走向进行分析和展望。通过对不同制程精度下芯片工艺的不同对其制造工艺流程进行划分，确定其制造成本；通过制造精度确定其加工过程中的材料成本；结合所需要的材料以及制程规范对其工程损耗材料进行核算，并确定其他成本。通过对 T 公司近来芯片生产数量以及生产费用进行分析，来得出常规芯片在不同制程精度下的成本，并确定其不同成本的占比。结合估算的成本数据进行分析，根据市场芯片需求，对芯片未来发展以及芯片市场未来走向进行预测。关键词：芯片制造；芯片成本；市场分析引言T 公司 2022 年第四季度全球前十大晶圆代工业者的营收中，在总营收为 335.30 亿美元的情况下，T 公司的营收达到了 199.62 亿元，占据了超过半数的市场份额。由此可见 T 公司的芯片制造能力一直处于世界领先水平，制程方面也已经突破了 3 纳米制造水平。高端芯片的发展道路也成为了：在有着更高性能的同时更小的封装尺寸以及更低的能源功耗。且芯片也朝着第三代半导体1、三维立体封装的方向发展。这也要求这芯片需要刻画立体的电路，同时保证良好的可靠性。在半导体摩尔定律受到挑战的今天，想要获取更高的市场份额，就要从芯片制造能力、芯片成本，以及芯片的产量着手2。高端技术中三维芯片3在摩尔定律遭受质疑时提供了其延续下去的可能。三维芯片集成度更高，趋向于将封装的理念带入到芯片的制造中，其制造成本 4依赖于高端技术。普通芯片生产成本降低和设备效率提高是市场上成熟工艺芯片追求的主要目标5，旨在降低芯片的生产成本。芯片的成本一般是企业内的机密数据，所以大部分企业不会将其公开。本文以现有可确认的数据为参考，对 T 公司不同制程精度芯片的成本进行估算，并以此为参考对芯片未来市场的走向进行分析和预测。1 芯片成本的计算1.1芯片成本的分析芯片的成本可以大致分为三个部分：芯片的材料成本、晶圆的制造成本以及含封测成本在内的其他成本。芯片成本=（材料成本+制造成本+其他成本）/最终成品率。1.2芯片材料成本的分析芯片的材料主要分为直材与间材。直材主要为硅片，下图 1 为近年来全球半导体硅片每平方的平均价格走势图。图 1 全球半导体硅片均价走势图Fig.1 Global semiconductor wafer average price trend芯片的第二种直材为晶体管，随着芯片等级的提升，芯片内含晶体管数量、金属电路层增加。表 1 体作者简介：耿旭东（1998），男，汉族，吉林省辽源市人，太极半导体（苏州）有限公司工程师，天津大学工程学士学位，上海理工大学非全MPAcc硕士在读。研究方向：管理会计。2023 年 02 月 第 04 期 辽宁青年综合论坛 242现了不同精度等级的芯片会使用的晶体管数量以及对应阶段的成本。表 1 不同制程精度芯片物理参数Tab.1 Chip physical parameters of different process accuracy芯片制程精度16nm10um7um5um4um3um芯片面积（mm2）1258885838585芯片KGD数量360512546530515509芯片晶体管数量（十亿个）3.34.36.910.51314.11.3芯片制造成本的分析半导体产品的门槛不仅仅在于工艺精度的限制，同时还涵盖了产品生产设备以及对应工程人员的工艺能力。掩膜具有特异性，所以一种芯片仅对应一种掩膜，这也使得芯片在设计阶段掩膜与流片的成本显著高昂。当芯片设计结束，提供设计方案给予晶圆代工厂。根据量产规模、芯片工艺等的不同，掩膜与流片的成本也不一样。当量产规模较大时，单颗成本降低，同时掩膜与流片成本也会降低。芯片工艺制程更难，造成的成本损耗会更多，所以前期试验的成本更大，需要的掩膜与流片更多。根据综合的数据可以确认：流片的成本通常在掩膜的 911 倍之间。在芯片工艺相对复杂时掩膜与流片的平均成本与表 2 所示。表 2 不同精度下芯片掩膜成本与流片成本Tab.2 Chip mask cost and flow cost with different precision 工艺精度（纳米）掩膜成本（美元）流片成本（美元）1050,000500,000955,000550,000860,000600,000765,000650,000670,000700,000机台的设备主要分为了晶圆加工以及芯片制造两个部分。晶圆加工的设备主要用：切片机、清洗机、热处理炉、中子注入机；芯片的制造机台主要为：薄膜沉积机、光刻机、离子注入机、蚀刻机、封装机。其中封装机以及芯片测试设备主要在芯片制造下游端使用，能力较强的芯片制造厂通常会有固定的封测合作企业，有的也会和 T 公司一样自己建立封测厂。图二中表格展示了各个机台不同型号的平均 UPH、能耗以及年电量，且仅为公开数据参考。机台平均UPH/个机台平均能耗/千瓦时机台平均年用电量/万千瓦时切片机20005000283050清洗机500010000151030热处理炉500200052050100中子注入机1005001540200500良率测试设备 1000500028510薄膜沉积机10050051550150光刻机5020052050200离子注入机501002040200500蚀刻机5020052050-150封装机502001030100-300机台类型晶圆加工芯片制造图 2 不同机台的产出与能耗Fig.2 Output and energy consumption of 除上述机台外还有很多辅助通用机台，如光学显微镜、质量侦测机台、实验室分析机台如 X-ray 以及SAT 等。这些机台不会对芯片的制造以及晶圆的加工造成直接的影响，所以一般也会很少提到。1.4芯片成本的计算通过上述的成本分析建立函数模型：11223WMMECCCC=+其中 CW代表芯片成本，CM1为制造成本，CM2为芯片材料费用，CE为其他成本。a1a2 为上面提到的各个部分成本在整体成本中所占的比例。1MemtCCCC=+Ce代表机台能源损耗以及工艺损耗，Cm代表了芯片的掩膜成本，Ct代表了芯片的流片成本。辽宁青年 2023 年 02 月 第 04 期 综合论坛24321234MCCCCC=+其中 C1代表着芯片的半导体基材，如硅或者碳化硅；C2代表着芯片基材对应的衬底；C3代表着芯片中含有的晶体管会以及电路等的成本。C4代表蚀刻液、胶水等的间接材料成本。CE则是其余成本的总和，如芯片的封测成本、制造过程中的仓储成本等。2022 年，T 公司为 535 家客户代工 12302 款产品，晶圆出货量相当于 1420 万片 12 英寸晶圆；2020 年，T 公司的年产能（12 英寸等效晶圆）约为 1300 万片，表 3 为 T 公司成本相关数据，单位均为亿美元。表 3 T 公司芯片成本相关数据Tab.3 T CORP.chip cost related data 相关数据N2022N2021N2020营业成本317.67285.91222.68折旧与摊销146.67151.22112.66销售管理费用65.4749.6439.91利息费用3.941.940.71根据上述数据可以估算出在不同制程精度下芯片的单颗成本，表 4 中的数据均为美元。表 4 不同芯片制程对应的成本估算Tab.4 Cost estimates for different chip processes 芯片制程（纳米）4028141075制造成本3.34.05.56.08.010.0材料成本2.62.53.54.05.06.0其他成本0.70.81.01.51.52.0总成本6.67.310.011.514.518.02 芯片成本与市场的分析2.1 芯片成本的分析根据表 4 中的数据可以大致确认芯片的成本占比主要分成以下几个部分：制造成本约占 60%-70%，材料成本约占 20%-25%，其他成本：约占 5%-15%。2.2 芯片市场的分析芯片的市场决定了未来芯片量产类型的走向，当市场需求多位高端芯片时，芯片的研发成本将会提高，同时对应的人力资源成本、物料采购方向也会随着改变。2.2.1芯片的市场源于自身技术要求当时科技创新出现新的制高点时，对应产业的技术也将大批量融入市场。LED 芯片自 1962 年发光二极管的出现就不断地随着科技进步进行创新，且一直保持着稳定的市场份额状态，属于技术生产引导了市场的需要。2.2.2芯片的市场源于半导体及相关行业的需要芯片的生产同样需要考虑下游工厂实施作业的可能性。高端芯片的特点趋向于电路复杂，外观上可以明显看到：pin 角增加、芯片更薄、尺寸更小。封装的工艺从最开始的金线打线封装到第二代倒装芯片Flip chip 封装，再到如今 info 芯片封装等。当封装工艺无法达到量产时，高端芯片的生产也会收到钳制。3 总结与展望芯片的成本与产量在未来芯片定价中占有着十分重要的地位。国内的晶圆代工厂的发展想要依靠 T 公司模式不仅需要尖端技术达到其对应阶段的水平，同时要在现有市场基础上可视化的增大产能。只有稳步前进，才有光明未来。参考文献1 邱奥,王雪,孟庆利,等.3 款猪 50KSNP 芯片基因型填充效果研究 J.中国畜牧杂志.2021,(z1).2 秦枭.摩尔定律“生死”之争背后：关乎未来半导体行业发展模式 N.中国经营报,2022-10-17(C02).3 雍 国 清,张 碧,王 永 康 等.后 摩 尔 时 代 芯 片结 构 材 料 的 热 设 计 与 表 征 J.电 子 机 械 工程,2021,37(05):1-13.4 吴际,王高峰,王豪.三维芯片制造成本分析 J.计算机应用研究,2012,29(09):3292-3294.5 翁寿松.降低 IC 芯片成本与提高设备自动化 J.电子工业专用设备,2006(07):10-13.