淺談晶圓代工廠制程節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用

顯示驅(qū)動(dòng)芯片（DDIC）是顯示面板制造中的一個(gè)關(guān)鍵部件。通常，無(wú)晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司（如聯(lián)詠科技、奇景光電和LX Semicon）設(shè)計(jì)DDIC，在半導(dǎo)體晶圓代工廠中采用不同的制程節(jié)點(diǎn)（以微米［μm］或納米［nm］為單位）制造IC芯片。晶圓代工廠作為原始設(shè)備制造商（OEM）與IC公司合作，或?yàn)榉职讨圃礻P(guān)系。之后，IC封裝和測(cè)試公司完成DDIC的后道工序。然后，DDIC被交付給顯示面板廠商，將IC粘合在面板上，實(shí)現(xiàn)顯示信號(hào)驅(qū)動(dòng)功能。

DDIC通常以帶載封裝（TCP）形式包裝和運(yùn)輸。圖1顯示了LCD面板和DDIC之間的關(guān)系。

圖1：LCD面板和DDIC

Source： ChipMos

顯示面板的分辨率通常以像素和子像素的形式出現(xiàn)。例如，F(xiàn)HD面板意味著分辨率為1920x1080，而4K或超高清（UHD）面板意味著分辨率為3840x2160。3840表示X軸，而2160表示Y軸。3840x2160分辨率表示面板有3840x2160（8，294，400）個(gè)像素。每個(gè)像素有三個(gè)子像素（紅、綠、藍(lán)）。因此，面板總共有3840xRGBx2160（2490萬(wàn)）個(gè)子像素。

像素和子像素構(gòu)成了分辨率。DDIC的功能是驅(qū)動(dòng)這些子像素的顯示信號(hào)。因此，分辨率和每顆DDIC的信道數(shù)（pin）決定了每片面板中DDIC的數(shù)量，而不一定由面板尺寸決定。

當(dāng)涉及到DDIC規(guī)格時(shí)，面板的分辨率是最關(guān)鍵的因素。

在制造DDIC時(shí)，晶圓代工廠的制程節(jié)點(diǎn)是最關(guān)鍵的因素。

DDIC通過(guò)不同的粘合技術(shù)被粘合在面板邊緣，如COG （chip-on-glass） 和COF （chip-on-film）。柔性OLED面板也采用COP （chip-on-plastic） 方式，如圖2所示。

圖2：DDIC的COG、COF和COP粘合

Source： Omdia

由于分辨率是以X軸和Y軸形式出現(xiàn)的，所以有幾種驅(qū)動(dòng)IC：

源極驅(qū)動(dòng)芯片（Source driver IC）：它驅(qū)動(dòng)X軸上的信號(hào)，也被稱(chēng)為source端或column端。

柵極驅(qū)動(dòng)芯片（Gate driver IC）：它驅(qū)動(dòng)Y軸上的信號(hào)，也被稱(chēng)為gate端或row端。在現(xiàn)代，許多面板設(shè)計(jì)是無(wú)柵極或GOA （gate-on-array），以節(jié)省面板邊緣空間，使邊框更薄。GOA將柵極驅(qū)動(dòng)電路集成到TFT陣列中，這樣就可以省掉柵極驅(qū)動(dòng)IC部分。

智能手機(jī)DDIC（Smartphone DDIC）：它將源極和柵極集成到單一驅(qū)動(dòng)芯片中。

觸控和顯示驅(qū)動(dòng)集成（TDDI）：這將觸控芯片與顯示芯片整合進(jìn)單一芯片中。

圖3顯示了DDIC的供應(yīng)鏈：

圖3：中國(guó)臺(tái)灣的DDIC行業(yè)

Source： ChipMos

正如前面所述，DDIC是在半導(dǎo)體晶圓廠里制造的。下圖展示了晶圓的外觀和上面的IC芯片。

圖4：半導(dǎo)體硅晶圓與IC芯片的對(duì)比

Source： ChipMos and DISCO

半導(dǎo)體晶圓有兩個(gè)重要的特征：

晶圓尺寸：半導(dǎo)體晶圓有幾種尺寸：6英寸（直徑150毫米）、8英寸（直徑200毫米）和12英寸（直徑300毫米）。主流的尺寸是8英寸和12英寸。

制程節(jié)點(diǎn)：這指的是電路鑄造的制程工藝節(jié)點(diǎn)。制程節(jié)點(diǎn)越小，在一塊晶圓上可以制造的集成電路就越多。此外，在裸芯片（IC die chip）上可以設(shè)計(jì)出更微妙和復(fù)雜的電路。制程節(jié)點(diǎn)是以納米來(lái)衡量的。一納米等于一米的十億分之一（0.000000001米）。在科學(xué)符號(hào)中，一納米可以表示為1x10-9米或1/1，000，000，000米。

晶圓尺寸和制程節(jié)點(diǎn)是相關(guān)的。12英寸晶圓代工廠比8英寸晶圓代工廠新；因此，12英寸晶圓采用的制程節(jié)點(diǎn)比8英寸晶圓的制程節(jié)點(diǎn)更先進(jìn)。

8英寸晶圓廠通常使用100納米到500納米的制程制造芯片。

對(duì)于12英寸晶圓來(lái)說(shuō)，它們通常采用150納米和更小的制程節(jié)點(diǎn)，大多在14納米到90納米之間。

目前，世界上最先進(jìn)的晶圓制程節(jié)點(diǎn)是中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)積電的3納米和5納米，如圖5所示。

圖5：臺(tái)積電的3納米和5納米晶圓制程節(jié)點(diǎn)

Source： TSMC

然而，DDIC不需要用如此精細(xì)的制程工藝來(lái)生產(chǎn)。DDIC需要的制程節(jié)點(diǎn)為28納米到300納米。

一般來(lái)說(shuō)，DDIC和制程節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以歸納為以下幾點(diǎn)：

高清分辨率的大尺寸TFT LCD驅(qū)動(dòng)IC：200納米至300納米

FHD大尺寸TFT LCD驅(qū)動(dòng)IC：110納米至160納米

4K （UHD） TFT LCD驅(qū)動(dòng)IC：55納米至90納米

智能手機(jī)和平板電腦TDDI驅(qū)動(dòng)IC：55納米至90納米

標(biāo)準(zhǔn)分辨率（HD）TDDI驅(qū)動(dòng)IC：55納米至110納米

高分辨率（FHD及以上）TDDI驅(qū)動(dòng)IC：40納米至55納米

高分辨率OLED驅(qū)動(dòng)IC：28納米至40納米

沒(méi)有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)DDIC的半導(dǎo)體晶圓廠，這表示晶圓代工廠生產(chǎn)各種不同的邏輯IC和應(yīng)用IC ─ DDIC只是其中之一。這種產(chǎn)能共享在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)造成了供需波動(dòng)。

在半導(dǎo)體行業(yè)中，有許多不同的邏輯和應(yīng)用IC共用晶圓代工廠產(chǎn)能。它們與DDIC的關(guān)系如圖6所示。

圖6：制程節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用和DDIC的對(duì)比

Source： Omdia

Type-B USB接口IC在8英寸晶圓廠中使用250–500納米制程生產(chǎn)。

PMIC在8英寸晶圓廠中采用110–180納米制程生產(chǎn)。目前，為了利用12英寸晶圓廠增加的產(chǎn)能，正在開(kāi)發(fā)在12英寸晶圓上使用80-90納米制程制造PMIC。

寬屏擴(kuò)展圖形陣列（WXGA）和FHD分辨率的車(chē)載顯示源極驅(qū)動(dòng)芯片是在8英寸和12英寸晶圓廠中采用110–160納米制程生產(chǎn)的。

由于產(chǎn)能共享，PMIC的緊缺正在影響車(chē)載顯示源極驅(qū)動(dòng)芯片。

對(duì)于液晶電視面板，高清分辨率的源極和柵極驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓廠使用200–300納米制程生產(chǎn)的。FHD和UHD源極驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓廠使用110–160納米制程生產(chǎn)的。

對(duì)于液晶桌上型顯示器面板，HD和FHD源極和柵極驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓廠中用190-300納米制程制造的。FHD、UHD和高分辨率游戲顯示驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓廠中用110-160納米制程制造的。

對(duì)于筆記本電腦面板，HD驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓上采用200-300納米制程制造的，而FHD和UHD驅(qū)動(dòng)IC是在8英寸晶圓上采用110-160納米制程制造。一些高分辨率的UHD源極驅(qū)動(dòng)IC是在12英寸晶圓上采用70-80納米制程制造的。

T-con芯片是在8英寸和12英寸晶圓上分別采用100-110納米或40–55納米制程制造的，范圍很廣。有些甚至是用28納米以下的制程制造的。

FoD （Fingerprint-on-display ） IC是在8英寸晶圓上采用180納米制程制造的。

所有平板電腦和智能手機(jī)的LCD和OLED DDIC都是在12英寸晶圓上制造的。TDDI芯片是主流，它將觸控芯片與顯示芯片整合在單一芯片中。

平板顯示TDDI驅(qū)動(dòng)IC是在12英寸晶圓上使用55-90納米制程制造的。

智能手機(jī)高清分辨率TDDI驅(qū)動(dòng)芯片是在12英寸晶圓廠采用55-110納米制程制造的。

智能手機(jī)FHD TDDI驅(qū)動(dòng)芯片是在12英寸晶圓上采用40–55納米制程制造的。

CIS在12英寸晶圓代工廠產(chǎn)能中占據(jù)重要地位。低端CIS與大尺寸TFT LCD顯示驅(qū)動(dòng)IC共享產(chǎn)能，而中端CIS與智能手機(jī)高清TDDI共享產(chǎn)能。高端CIS與智能手機(jī)FHD TDDI共享產(chǎn)能。

AMOLED DDIC是在12英寸晶圓上使用28–40納米制程制造的。

半導(dǎo)體晶圓廠通常與無(wú)晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司簽訂長(zhǎng)期合同，包括DDIC制造，以分配晶圓產(chǎn)能。

然而，IC的價(jià)格始終是第一考慮因素。晶圓代工廠商，如臺(tái)積電（TSMC）、聯(lián)電（UMC）、Global Foundries、力積電（PSMC）、世界先進(jìn)（VIS）、晶合集成（Nexchip）、中芯國(guó)際（SMIC）、華邦電子（Winbond）等，都在經(jīng)營(yíng)分包制造業(yè)務(wù)。因此，實(shí)現(xiàn)收益和利潤(rùn)最大化是他們的首要任務(wù)。

IC芯片的價(jià)格水平是決定產(chǎn)能分配的一個(gè)因素。

下圖顯示了8英寸和12英寸晶圓廠的產(chǎn)能分配優(yōu)先級(jí)與IC價(jià)格水平。

圖7：8英寸晶圓應(yīng)用和IC價(jià)格水平

Source： Omdia

對(duì)于8英寸晶圓，IC價(jià)格從低到高排序如下：

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFETs）：110-300納米

LED驅(qū)動(dòng)IC：300–500納米

NOR閃存IC：100-180納米

音頻IC：110-300納米

DDIC：110-300納米，特別是用于9英寸及以上的大尺寸TFT LCD面板

T-cons： 110-180納米

CIS： 110–280納米

TPM ICs： 110–280納米

PMICs： 110–280納米

Retimer/redriver IC（用于PC內(nèi)部傳輸）：110-180納米

USB控制器：110-180納米

MCU，特別是用于汽車(chē)應(yīng)用：150-300納米

如上所示，MCU是8英寸晶圓上價(jià)格最高的芯片，而DDIC的價(jià)格水平居中。

當(dāng)MCU需求激增時(shí)，8英寸晶圓往往會(huì)生產(chǎn)更多的MCU，而不是價(jià)格較低的MOSFET。另一方面，PMIC和DDIC的需求穩(wěn)定，因此晶圓代工廠商總是為PMIC和DDIC分配一定的產(chǎn)能。

然而，隨著電動(dòng)汽車(chē)的增長(zhǎng)、5G電信的增長(zhǎng)以及所有設(shè)備的功耗問(wèn)題導(dǎo)致了PMIC需求的激增。這種激增影響到晶圓代工廠商對(duì)PMIC和DDIC的產(chǎn)能分配。

圖8：12英寸晶圓應(yīng)用和IC價(jià)格水平

Source： Omdia

對(duì)于12英寸晶圓，從低到高的IC價(jià)格排序如下：

NOR閃存IC：55–90納米

T-cons： 22–90納米

用于智能手機(jī)LCD和OLED的DDIC：28-55納米

CIS： 22–90納米

TPM IC： 40–60納米

PMIC： 55–90納米

Retimer/redriver IC（用于PC內(nèi)部傳輸）：110-180納米

USB控制器：28–90納米

MCU： 40–90納米

存儲(chǔ)控制IC：28–40納米

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），也是邏輯IC：22-28納米

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA），通常是定制的：22-28納米

BMCs，用于PC服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：28-60納米

網(wǎng)絡(luò)IC：14納米以下和14-55納米，取決于設(shè)計(jì)和規(guī)格

CPU，包括GPU：14納米以下

在12英寸晶圓廠，CPU和GPU是最賺錢(qián)的產(chǎn)品。晶圓代工廠商關(guān)心的是其12英寸晶圓廠的盈利，而不是保持100%的產(chǎn)能利用率。

就IC價(jià)格而言，DDIC是12英寸晶圓產(chǎn)品中價(jià)格最低的產(chǎn)品之一。OLED和筆記本顯示面板需求的增加，搶占了12英寸晶圓廠40-55納米制程的更多產(chǎn)能。在28-55納米節(jié)點(diǎn)范圍，DDIC有許多產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)者，如CIS、TPM、retimer/redriver/MCU和BMC。