如何降低流片成本？

2023-04-24 02:04

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。

实际上，对于大部分的中小企业来说，除了价格以外，在流片或量产环节还面临着包括产能、交期在内的诸多挑战：

1.对Foundry体系不了解，缺乏工艺选型的经验和Foundry打交道的经验；

2.主流Foundry准入门槛高，新兴玩家难以申请预期的工艺或支持，沟通成本高；

3.缺乏系统的供应链管理能力，尤其在量产产能爬坡阶段，对产能、交期、质量过于乐观；

4.产能紧缺情况下，缺乏备货机制，恐慌性下单或有了订单再下单导致产能跟不上市场需求。此外，交期的变化、产能的波动都会大大增加初创公司与晶圆代工厂的沟通成本，降低效率。

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对此，中小芯片设计企业可以寻求有资源、有经验的第三方流片服务平台进行合作，一同来解决遇到的供应链难题。

以摩尔精英流片服务，可以提供完整的工艺平台，对接数十家主流晶圆代工厂，提供MPW、Full-mask及量产在内的不同工艺节点的流片服务，能够显著降低客户的商务成本和沟通成本。

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另一方面，凭借自建的专业流片FAE团队，不仅为合作晶圆代工厂提供长尾客户的高效支持管理，也帮助中小公司的产品快速得到支持，协助客户选择最优工艺，并保障客户的数据安全。

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