浅谈晶圆代工厂制程节点和应用

　　显示驱动芯片（DDIC）是显示面板制造中的一个关键部件。通常，无晶圆厂IC设计公司（如联咏科技、奇景光电和LX Semicon）设计DDIC，在半导体晶圆代工厂中采用不同的制程节点（以微米［µm］或纳米［nm］为单位）制造IC芯片。晶圆代工厂作为原始设备制造商（OEM）与IC公司合作，或为分包商制造关系。之后，IC封装和测试公司完成DDIC的后道工序。然后，DDIC被交付给显示面板厂商，将IC粘合在面板上，实现显示信号驱动功能。

　　DDIC通常以带载封装（TCP）形式包装和运输。图1显示了LCD面板和DDIC之间的关系。

　　图1：LCD面板和DDIC

 

 

　　Source： ChipMos

　　显示面板的分辨率通常以像素和子像素的形式出现。例如，FHD面板意味着分辨率为1920x1080，而4K或超高清（UHD）面板意味着分辨率为3840x2160。3840表示X轴，而2160表示Y轴。3840x2160分辨率表示面板有3840x2160（8，294，400）个像素。每个像素有三个子像素（红、绿、蓝）。因此，面板总共有3840xRGBx2160（2490万）个子像素。

　　像素和子像素构成了分辨率。DDIC的功能是驱动这些子像素的显示信号。因此，分辨率和每颗DDIC的信道数（pin）决定了每片面板中DDIC的数量，而不一定由面板尺寸决定。

　　当涉及到DDIC规格时，面板的分辨率是最关键的因素。

　　在制造DDIC时，晶圆代工厂的制程节点是最关键的因素。

　　DDIC通过不同的粘合技术被粘合在面板边缘，如COG （chip-on-glass） 和COF （chip-on-film）。柔性OLED面板也采用COP （chip-on-plastic） 方式，如图2所示。

　　图2：DDIC的COG、COF和COP粘合

 

 

　　Source： Omdia

　　由于分辨率是以X轴和Y轴形式出现的，所以有几种驱动IC：

　　源极驱动芯片（Source driver IC）：它驱动X轴上的信号，也被称为source端或column端。

　　栅极驱动芯片（Gate driver IC）：它驱动Y轴上的信号，也被称为gate端或row端。在现代，许多面板设计是无栅极或GOA （gate-on-array），以节省面板边缘空间，使边框更薄。GOA将栅极驱动威廉希尔官方网站 集成到TFT阵列中，这样就可以省掉栅极驱动IC部分。

　　智能手机DDIC（Smartphone DDIC）：它将源极和栅极集成到单一驱动芯片中。

　　触控和显示驱动集成（TDDI）：这将触控芯片与显示芯片整合进单一芯片中。

　　图3显示了DDIC的供应链：

　　图3：中国台湾的DDIC行业

 

 

　　Source： ChipMos

　　正如前面所述，DDIC是在半导体晶圆厂里制造的。下图展示了晶圆的外观和上面的IC芯片。

　　图4：半导体硅晶圆与IC芯片的对比

 

 

　　Source： ChipMos and DISCO

　　半导体晶圆有两个重要的特征：

　　晶圆尺寸：半导体晶圆有几种尺寸：6英寸（直径150毫米）、8英寸（直径200毫米）和12英寸（直径300毫米）。主流的尺寸是8英寸和12英寸。

　　制程节点：这指的是威廉希尔官方网站 铸造的制程工艺节点。制程节点越小，在一块晶圆上可以制造的集成威廉希尔官方网站 就越多。此外，在裸芯片（IC die chip）上可以设计出更微妙和复杂的威廉希尔官方网站 。制程节点是以纳米来衡量的。一纳米等于一米的十亿分之一（0.000000001米）。在科学符号中，一纳米可以表示为1x10-9米或1/1，000，000，000米。

　　晶圆尺寸和制程节点是相关的。12英寸晶圆代工厂比8英寸晶圆代工厂新；因此，12英寸晶圆采用的制程节点比8英寸晶圆的制程节点更先进。

　　8英寸晶圆厂通常使用100纳米到500纳米的制程制造芯片。

　　对于12英寸晶圆来说，它们通常采用150纳米和更小的制程节点，大多在14纳米到90纳米之间。

　　目前，世界上最先进的晶圆制程节点是中国台湾台积电的3纳米和5纳米，如图5所示。

　　图5：台积电的3纳米和5纳米晶圆制程节点

 

 

　　Source： TSMC

　　然而，DDIC不需要用如此精细的制程工艺来生产。DDIC需要的制程节点为28纳米到300纳米。

　　一般来说，DDIC和制程节点之间的关系可以归纳为以下几点：

　　高清分辨率的大尺寸TFT LCD驱动IC：200纳米至300纳米

　　FHD大尺寸TFT LCD驱动IC：110纳米至160纳米

　　4K （UHD） TFT LCD驱动IC：55纳米至90纳米

　　智能手机和平板电脑TDDI驱动IC：55纳米至90纳米

　　标准分辨率（HD）TDDI驱动IC：55纳米至110纳米

　　高分辨率（FHD及以上）TDDI驱动IC：40纳米至55纳米

　　高分辨率OLED驱动IC：28纳米至40纳米

　　没有专门生产DDIC的半导体晶圆厂，这表示晶圆代工厂生产各种不同的逻辑IC和应用IC ─ DDIC只是其中之一。这种产能共享在半导体行业内造成了供需波动。

　　在半导体行业中，有许多不同的逻辑和应用IC共用晶圆代工厂产能。它们与DDIC的关系如图6所示。

　　图6：制程节点、应用和DDIC的对比

 

 

　　Source： Omdia

　　Type-B USB接口IC在8英寸晶圆厂中使用250–500纳米制程生产。

　　PMIC在8英寸晶圆厂中采用110–180纳米制程生产。目前，为了利用12英寸晶圆厂增加的产能，正在开发在12英寸晶圆上使用80-90纳米制程制造PMIC。

　　宽屏扩展图形阵列（WXGA）和FHD分辨率的车载显示源极驱动芯片是在8英寸和12英寸晶圆厂中采用110–160纳米制程生产的。

　　由于产能共享，PMIC的紧缺正在影响车载显示源极驱动芯片。

　　对于液晶电视面板，高清分辨率的源极和栅极驱动IC是在8英寸晶圆厂使用200–300纳米制程生产的。FHD和UHD源极驱动IC是在8英寸晶圆厂使用110–160纳米制程生产的。

　　对于液晶桌上型显示器面板，HD和FHD源极和栅极驱动IC是在8英寸晶圆厂中用190-300纳米制程制造的。FHD、UHD和高分辨率游戏显示驱动IC是在8英寸晶圆厂中用110-160纳米制程制造的。

　　对于笔记本电脑面板，HD驱动IC是在8英寸晶圆上采用200-300纳米制程制造的，而FHD和UHD驱动IC是在8英寸晶圆上采用110-160纳米制程制造。一些高分辨率的UHD源极驱动IC是在12英寸晶圆上采用70-80纳米制程制造的。

　　T-con芯片是在8英寸和12英寸晶圆上分别采用100-110纳米或40–55纳米制程制造的，范围很广。有些甚至是用28纳米以下的制程制造的。

　　FoD （Fingerprint-on-display ） IC是在8英寸晶圆上采用180纳米制程制造的。

　　所有平板电脑和智能手机的LCD和OLED DDIC都是在12英寸晶圆上制造的。TDDI芯片是主流，它将触控芯片与显示芯片整合在单一芯片中。

　　平板显示TDDI驱动IC是在12英寸晶圆上使用55-90纳米制程制造的。

　　智能手机高清分辨率TDDI驱动芯片是在12英寸晶圆厂采用55-110纳米制程制造的。

　　智能手机FHD TDDI驱动芯片是在12英寸晶圆上采用40–55纳米制程制造的。

　　CIS在12英寸晶圆代工厂产能中占据重要地位。低端CIS与大尺寸TFT LCD显示驱动IC共享产能，而中端CIS与智能手机高清TDDI共享产能。高端CIS与智能手机FHD TDDI共享产能。

　　AMOLED DDIC是在12英寸晶圆上使用28–40纳米制程制造的。

　　半导体晶圆厂通常与无晶圆厂IC设计公司签订长期合同，包括DDIC制造，以分配晶圆产能。

　　然而，IC的价格始终是第一考虑因素。晶圆代工厂商，如台积电（TSMC）、联电（UMC）、Global Foundries、力积电（PSMC）、世界先进（VIS）、晶合集成（Nexchip）、中芯国际（SMIC）、华邦电子（Winbond）等，都在经营分包制造业务。因此，实现收益和利润最大化是他们的首要任务。

　　IC芯片的价格水平是决定产能分配的一个因素。

　　下图显示了8英寸和12英寸晶圆厂的产能分配优先级与IC价格水平。

　　图7：8英寸晶圆应用和IC价格水平

 

 

　　Source： Omdia

　　对于8英寸晶圆，IC价格从低到高排序如下：

　　金属氧化物半导体场效应管（MOSFETs）：110-300纳米

　　LED驱动IC：300–500纳米

　　NOR闪存IC：100-180纳米

　　音频IC：110-300纳米

　　DDIC：110-300纳米，特别是用于9英寸及以上的大尺寸TFT LCD面板

　　T-cons： 110-180纳米

　　CIS： 110–280纳米

　　TPM ICs： 110–280纳米

　　PMICs： 110–280纳米

　　Retimer/redriver IC（用于PC内部传输）：110-180纳米

　　USB控制器：110-180纳米

　　MCU，特别是用于汽车应用：150-300纳米

　　如上所示，MCU是8英寸晶圆上价格最高的芯片，而DDIC的价格水平居中。

　　当MCU需求激增时，8英寸晶圆往往会生产更多的MCU，而不是价格较低的MOSFET。另一方面，PMIC和DDIC的需求稳定，因此晶圆代工厂商总是为PMIC和DDIC分配一定的产能。

　　然而，随着电动汽车的增长、5G电信的增长以及所有设备的功耗问题导致了PMIC需求的激增。这种激增影响到晶圆代工厂商对PMIC和DDIC的产能分配。

　　图8：12英寸晶圆应用和IC价格水平

 

 

　　Source： Omdia

　　对于12英寸晶圆，从低到高的IC价格排序如下：

　　NOR闪存IC：55–90纳米

　　T-cons： 22–90纳米

　　用于智能手机LCD和OLED的DDIC：28-55纳米

　　CIS： 22–90纳米

　　TPM IC： 40–60纳米

　　PMIC： 55–90纳米

　　Retimer/redriver IC（用于PC内部传输）：110-180纳米

　　USB控制器：28–90纳米

　　MCU： 40–90纳米

　　存储控制IC：28–40纳米

　　复杂可编程逻辑器件（CPLD），也是逻辑IC：22-28纳米

　　现场可编程逻辑门阵列（FPGA），通常是定制的：22-28纳米

　　BMCs，用于PC服务器和网络设备：28-60纳米

　　网络IC：14纳米以下和14-55纳米，取决于设计和规格

　　CPU，包括GPU：14纳米以下

　　在12英寸晶圆厂，CPU和GPU是最赚钱的产品。晶圆代工厂商关心的是其12英寸晶圆厂的盈利，而不是保持100%的产能利用率。

　　就IC价格而言，DDIC是12英寸晶圆产品中价格最低的产品之一。OLED和笔记本显示面板需求的增加，抢占了12英寸晶圆厂40-55纳米制程的更多产能。在28-55纳米节点范围，DDIC有许多产能竞争者，如CIS、TPM、retimer/redriver/MCU和BMC。