晶片流片為什麼這麼貴？

晶片行業對於流片都不陌生。

所謂流片，就是像流水線一樣透過一系列工藝步驟製造晶片，該環節處於晶片設計和晶片量產的中間階段，是晶片製造的關鍵環節。

簡單來說就是將設計好的方案，交給晶片製造廠，先生產幾片幾十片樣品，檢測一下設計的晶片能不能用，然後進行最佳化。如果測試透過，就按照這樣開始大規模生產了。

所以為了測試積體電路設計是否成功，必須進行流片。這也是晶片設計企業一般都在前期需要投入很大成本的重要原因。

一顆晶片從設計到量產，流片屬於非常關鍵的環節。當晶片完全設計出來以後需要按照圖紙在晶圓上進行蝕刻，採用什麼樣的製程工藝，多大尺寸的晶圓，晶片的複雜程度都會影響這顆晶片的流片成功率和成本，而且許多晶片都不是一次就能流片成功的，往往需要進行多次流片才能獲得較為理想的效果。

圖源：知識向量

但流片是一件非常燒錢的事，多幾次流片失敗，可能就會把公司搞垮。2019年就曾傳出小米旗下松果電子的澎拜S2系列晶片連續5次流片失敗，設計團隊重組的慘痛案例。

有晶片大廠算過這筆賬，14nm工藝晶片，流片一次需要300萬美元左右，7nm工藝晶片，流片一次需要3000萬美元，5nm工藝晶片，流片一次更是達到4725萬美元。可見，流片對於晶片設計企業來說是一筆巨大花費，尤其是對於行業中小企業來講，實際流片的價格比大廠又高很多，讓本不富裕的“生活”更是雪上加霜。

流片為什麼這麼貴？

那晶片流片的價格為什麼這麼貴？

這就要提到晶片的製造原理了。

晶片製造要在很小的晶片裡放上億個電晶體，製造工藝已經到了奈米級，只能用光刻來完成。光刻就是用光刻出想要的圖形，光刻需要用到掩膜版（又稱光罩，Mask），掩膜版就是把設計好的電路圖雕刻在上面，讓光通過後，在晶圓上刻出圖形。

流片貴，一方面是因為剛開始有許多工藝需要驗證，從一個電路圖到一塊晶片，檢驗每一個工藝步驟是否可行，檢驗電路是否具備所要的效能和功能。晶片流片過程至少持續三個月（包括原料準備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測試），一般要經過1000多道工藝，生產週期較長，因此也是晶片製造中最重要最耗錢的環節。

如果流片成功，就可以據此大規模地製造晶片；反之，就需要找出其中的原因，並進行相應的最佳化設計。

其中，晶片流片貴，主要貴在掩膜版和晶圓，這兩項價格不菲且都是消耗品，其中掩膜版最貴，一套中端工藝製程的掩膜版價格大約在50萬美元左右，而一片晶圓的價額也在數千美元。

掩膜貴還是晶圓貴？

掩膜版是一種由石英為材料製成的，是微電子製造過程中的圖形轉移工具或母版，其功能類似於傳統照相機的“底片”，根據客戶所需要的圖形，透過光刻製版工藝，將微米級和奈米級的精細圖案刻制於掩膜版基板上，是承載圖形設計和工藝技術等內容的載體。

然後把這種從掩膜版的圖形轉換到晶圓上的過程，想象成印鈔機的工作流程。把光刻機想象成印鈔機，晶圓相當於印鈔紙，掩膜就是印版，把鈔票母版的圖形印到紙張上的過程，就像光刻機把掩膜版上的晶片圖形印到晶圓上一樣。

光刻需要用到掩膜版，掩膜版就是把設計好的電路圖雕刻在上面，讓光通過後，在晶圓上刻出圖形。

光刻工作原理

掩膜版的質量會直接影響光刻的質量，掩膜版上的製造缺陷和誤差也會伴隨著光刻工藝被引入到晶片製造中。因此，掩膜版是下游產品精度和質量的決定因素之一。

掩膜版的價格主要取決於晶片所選用的“工藝節點”，工藝節點越高、流片價格就越貴。這是因為越先進的工藝節點，所需要使用的掩膜版層數就越多。據瞭解，在14nm工藝製程上，大約需要60張掩膜版，7nm可能需要80張甚至上百張掩膜版。

掩膜版層數多了，不僅僅是因為掩膜板的價格貴，還因為每多出一層 “掩膜板”，就要多進行一次“光刻”，就要再多塗抹一次 “光刻膠”，就要再多一次 “曝光”，然後再來一次 “顯影” 。。。，整個流程下來耗費的成本就大大增加了。

據IBS資料顯示，在16/14nm製程中，所用掩膜成本在500萬美元左右，到7nm製程時，掩膜成本迅速升至1500萬美元。

7nm製程中，掩膜成本大概為1500萬美元（圖源：IBS）

掩膜版的總體費用，包括石英，光刻膠等原材料的成本，Mask Writer和Inspection等機臺的使用成本，另外還有掩膜版相關資料的生成，包括OPC、MDP等軟體授權、伺服器使用和人工開發成本等等。對於一款晶片，動輒幾十層的掩膜版，需要如此多的步驟，裝置、軟體、人員缺一不可，費用自然昂貴。

在流片中，Mask的費用更是佔很大一塊，是因為前期流片階段就是生產5-25片作為產品驗證用的，主要成本是Mask成本。對應的，正式生產時，Mask的費用只算一次，後面有大量的晶圓可以分攤成本，自然就便宜了。

準確的說應該是平均到每一顆晶片上的費用便宜了，而不是總的流片費用便宜了。

據業內人士透露，某晶圓代工廠（Foundry） 40nm的流片成本大概在60-90萬美元。Mask佔據大頭，大約60-90萬美元；晶圓成本每片在3000-4000美元左右。

所以，如果生產10片晶圓，每片晶圓的成本是（90萬+ 4000*10）/10=9。4萬美元；但是如果生產10000片晶圓，那麼每片晶圓的成本是（90萬+4000*10000）/10000=4090美元。

可見，進入量產之後，生產上萬片晶圓，每片晶圓可能3000-4000美元左右，Mask的成本平攤到每片晶圓以後就很少了，這時候晶圓的成本就是主要的成本來源。所以，如果只是量小的流片階段，那麼Mask成本是主要的。反之如果量產很多，那麼則是晶圓主導成本。

另外，半導體制造廠的機臺便宜的上百萬美元，貴的上億美元。據瞭解，28nm的Mask機臺就超過5000萬美元一臺，這些儀器，機臺需要七年折舊完畢。也就是說，大概使用一年就要損失14%的機臺價值。

晶圓代工行業裝置折舊年限通常是5-7年。據報道，中芯國際2019年折舊費用超過了14億，主要是因為先進製程的投入需要購置部分單價較高的機器裝置，使得折舊費用逐年增加。臺積電2021年折舊費用更是達到近千億新臺幣，創史上最高。

從工藝研發週期來講，機器的成本和折舊費已然很高，但將工藝的良率及可靠性調到量產要求也是一項有挑戰的工作。（據悉某廠搞28nm，機器2011/2012年就全部到位了， 可是5、6年後良率都還沒調到嚴格的量產標準，可見有多難。同時還白白損失了多年的裝置折舊費用。）

其次還有人力成本，維護成本以及耗材費等，這些都是Mask成本高的原因。

據etnews報道，隨著當前供需狀況惡化，掩膜版的價格還在上漲，交貨時間也一再被推遲，即使支付額外費用，也很難及時購買到。通常需要4-7天的交期最近增至14天，部分企業的交期延長到了原來的7倍。

此外，為了跟上摩爾定律，Foundry升級換代所需的裝置和技術研發的投資不斷增大，由於Foundry對先進生產線的投資巨大，必然會將其成本轉嫁到客戶的投片費用上。這也導致了製造晶片的費用在不斷上漲。

如何降低流片成本？

上述種種因素影響下，晶片流片費用成為擺在設計企業面前的一個難題。那麼，面對流片價格高的問題，有沒有什麼辦法來降低成本？

摩爾精英資深總監王龍向筆者表示，MPW (Multi Project Wafer) 就是一種可以幫助設計企業降低成本的流片方式。

MPW是指由多個專案共享某個晶圓，同一次製造流程可以承擔多個IC設計的製造任務，將多個使用相同工藝的積體電路設計放在同一晶圓上流片，製造完成後，每個設計可以得到數十片晶片樣品，這一數量對於原型設計階段的實驗、測試已經足夠。

通俗來講就是幾家公司或機構一起購買一套掩膜版，然後生產出來的同一片晶圓上會同時存在有好幾款晶片，待晶圓切割後，再把各自的晶片“領回家”。而該次製造費用就由所有參加MPW的專案按照芯片面積分攤，極大地降低了產品開發風險。

據王龍介紹，MPW有一定的流程，通常由晶圓代工廠或者第三方服務機構來進行組織，各種工藝在某一年之中的MPW時間點是預先設定好的，通常是越先進的工藝，安排的MPW頻率越高。晶圓代工廠事先會將晶圓劃好多個區域並報價，各家公司根據自己情況去預訂一個或多個區域。

這對參與者來說，在設計和開發方面有一定的進度壓力。但是相比之下，MPW帶來的好處是顯而易見的，採用多專案晶圓能夠降低晶片的生產成本，為設計人員提供實踐機會，並促進了晶片設計的成果轉化，對IC設計人才的培訓，中小設計公司的發展，以及新產品的開發研製都有相當大的促進作用。

對比來看，共享Mask的好處就是省錢，但是可能要等代工廠的時間節點，需要更多的時間。對於那些不差錢或趕時間的企業當然可以自己利用一套Mask（Full- Mask，全掩膜），製造流程中的全部掩膜都為自己的設計來服務，通常用於設計定型後的量產階段。機器一響，黃金萬兩。

但是，在當前產能嚴重緊缺的情況下，代工廠面對不同客戶的產品需求、競爭優勢、市場前景和計劃等態度是完全不同的，代工廠會綜合考慮客戶下單量，後續下單穩定性以及產品所面向的市場前景來做判斷。

實際上，對於大部分的中小企業來說，除了價格以外，在流片或量產環節還面臨著包括產能、交期在內的諸多挑戰：

1.

對Foundry體系不瞭解，缺乏工藝選型的經驗和Foundry打交道的經驗；

2.

主流Foundry准入門檻高，新興玩家難以申請預期的工藝或支援，溝通成本高；

3.

缺乏系統的供應鏈管理能力，尤其在量產產能爬坡階段，對產能、交期、質量過於樂觀；

4.

產能緊缺情況下，缺乏備貨機制，恐慌性下單或有了訂單再下單導致產能跟不上市場需求。此外，交期的變化、產能的波動都會大大增加初創公司與晶圓代工廠的溝通成本，降低效率。

對此，

中小晶片設計企業可以尋求有資源、有實力、有經驗的第三方運營服務機構進行合作，一同來解決遇到的供應鏈難題。

以摩爾精英流片業務為例，可以提供完整的工藝平臺，對接數十家主流晶圓代工廠，提供MPW、Full-mask及量產在內的不同工藝節點的流片服務，能夠顯著降低客戶的商務成本和溝通成本。

另一方面，憑藉自建的專業流片FAE團隊，不僅為合作晶圓代工廠提供長尾客戶的高效支援管理，也幫助中小公司的產品快速得到支援，協助客戶選擇最優工藝，並保障客戶的資料安全。

在產能方面，利用摩爾精英的know-how協助中小客戶去爭取產能（包括大訂單、訂單量趨勢、提前排隊、及時跟蹤產能動態等），幫助客戶降低成本和縮短晶片研發週期。

綜合來看，無論是從技術、商務還是產能方面，選擇一家靠譜的第三方機構都可以協助設計公司解決當前所遇到的供應鏈難點，提供最優解。

總而言之，處於這些需求賽道中的公司們都可能從流片服務廠商的業務中獲利。

寫在最後

一個晶片開發專案，需要經歷從產品定義、設計、驗證模擬一直到最終流片的漫長過程，而作為“終極大考”的流片，此前漫長過程中的任何一個小疏忽都可能導致流片失敗，而一旦流片失敗往往意味著企業將面臨數千萬美元起的損失和至少半年市場機遇的錯失。

這對於許多企業而言，流片失敗是無法承受之痛。

對此，晶片設計企業、製造商以及相關的行業服務平臺和機構應緊密合作，優勢互補，攜手解決困擾開發者的“流片難題”。

內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創

作者：

李晨光