全球半導體六十年

第一節 全球半導體六十年

從半導體產業過去 60 年發展的過程來看，70 年代以前半導體企業絕大多數 為結合設計與製造生產於一體的高度垂直整合廠商，亦即所謂的整合元件製造商 (IDM，Integrated Device Manufacturer)；80 年代以後，無晶圓公司(Fabless)、

專業晶圓代工廠(Foundry)和專業封測代工廠(SATS，Semiconductor Assembly and Test Service) 等強調專業垂直分工的商業模式興起；整合元件製造商也開 始陸續地委外部份的生產作業，考慮的是愈來愈貴的資本支出(Capex，Capital Expenditure)以及對半導體產業高度不確定性的風險管理。

由圖 3-1，我們可以發現早期的半導體公司大多是由一個龐大的集團企業中 成立的半導體事業部，例如飛利浦公司以生產電燈泡起家，也是知名的消費電子 產品製造商，於 1953 年成立了半導體事業部。日本電氣公司(NEC,Nippon Electric Company)成立於 1899 年，也在 1960 年開始了積體電路的研究發展。

該類企業組織一手包辦產品設計、製程設計、前段晶圓生產、後段封裝測試、銷 售和售後服務。好比歐系整合元件公司 N 公司在歐洲、美洲和亞洲都有前段晶圓 的生產工廠，後段的封裝測試廠則比較集中設置在亞洲。除此之外，整合元件製 造商甚至自行製造生產設備或擁有原材料生產的能力，N 公司和 T 公司就曾經擁 有傳統積體電路封裝時所需要的主要原材料導線架(Lead Frame)的生產工廠，大 約十年前，N 公司已經把生產導線架的工廠出售給新加坡的專業導線架生產公 司。N 公司也自行設計發包生產測試機，名為 DYTIC (為 Dynamic Tester for IC，

積體電路動態測試機的縮寫)，用於自家產品得測試。T 公司也為了測試電晶體 而生產聚集自動測試機(CAT，Centralized Automatic Tester)。

一、半導體公司設立的日程表 1953 : Motorola

1959 : National Semiconductor 1960 : NEC 1968 : Intel 1969 : Samsung 1978 : Micron

無晶圓公司和專業代工廠(垂直分工)

Fabless :

1983 : Altera 1984 : Xilinx 1984 : MIPS 1985 : Qualcomm 1987 : Via 1990 : ARM 1991 : Eton / Broadcom

1993 : nVidia

Foundry :

1980 : UMC 1987 : TSMC 1987 : Chartered 2000 : SMIC SATS :

1968 : Amkor/Anam

1984 : ASE 1984 : SPIL 1994 : STATSChipPAC

UTAC : 1997

1947 :

1958 :

1980 2000

表 3-1：晶圓廠投資成本的演進

資料來源：相關報導及本研究整理

1982 年以前，設立一條當時的主流 4”、2um(微米)的晶圓生產線只要投 資一億五千萬美元，到了 2000 年時，投資一條主流的 8”、0.8um 晶圓生產 線則需大約二十億美元。時至今日，投資一條 12”、90nm(奈米)的晶圓廠的 成本已增至四十億美元，未來則需五十五億美元才能設立一條 12”、32nm 的晶圓廠。

目前半導體業也在思考導入 18”生產線的可行性，18 吋廠最佳月產能可 能在 12 萬~15 萬片之間，建造每座晶圓廠投資將達 120 億~150 億美元。有能 力的投資者將屈指可數。

封裝技術則由 1970 年代的塑膠雙排腳產品(P-DIP，Plastic -Dual In-Line Package)；至 1980 年代，愈來愈多資訊產品的相關應用，使得產品 對於腳數(I/O, Input/Output)的需求也增加，使得主流封裝型態逐漸由雙排 腳產品的 P-DIP，再發展到平面四排腳的 QFP (Quad Flat Package)；接著面 對 CPU 等更高腳數以及計算效能的需求，發展出針陣列封裝(PGA，Pin Grid Array)；到了 1990 年代，由於在晶片組(Chipset)及繪圖卡(Graphic Card) 等高階產品的設計複雜度增加，對於封裝腳數及效能的要求也日益提高，因 此具備有更高腳數及更佳效能的球陣列封裝(BGA，Ball Grid Array)，亦逐 步成為市場上主流的封裝型態。接下來因應高腳數以及高速積體電路產品的

晶圓廠的投資成本

年代 1982 1986 1990 1992 1995 1997 1999 2001 2002 晶圓尺寸 4" 6" 8" 8" 8" 8" 8" 8" 12"

製程 (um) 2 1.2 0.8 0.5 0.35 0.25 0.18 0.13 0.13 每月參考產能

(千 Wafers) 15 20 20 20 25 30 30 30 30 資本支出

(億美元) 1.5 3.5 5 8 10 16 17 20 25

需求，覆晶封裝(Flip Chip Package)被廣泛的運用。

另外在消費性電子產品輕薄短小的要求下，封裝體積和晶粒(Chip)大小 些同的晶圓級封裝技術(WLP，Wafer Level Package)也應運而生，成為目前 成長速度最快的技術之ㄧ。

從圖 3-2 和圖 3-3 中整合元件製造商 N 公司在台設立的自家工廠過去四 十年發展的過程和專業封測代工廠 A 公司過去二十年的成長歷程中，我們不 難看出整個封裝的方式由最傳統的塑膠雙排腳產品(P-DIP，Plastic -Dual In-Line Package) ，發展至現今的高階封裝以及強調整合的 PoP (Package and Package) 和 SiP (System in Package)。

Start IC Assembly

(1969

Start IC Testing (1974)

Set up IC PKG Dev. Center

(1987)

QFP PKG Introduction

(1992)

1966 1980 1995 2000 2005 (年度)

LFBGA LFBGA SO

-14/16/20/24/28 VSO -40/56 SIL- Medium Power

SIL-Power

DIP-16/18/24/40

SDIP-24/32/56/64

-Q uad Flat Packages

Q FP stacked die (Q FP MCM)

Chip Sort

BGA PKG Introduction

(2000)

T FBGA

H BGA

Flip Chip

PO P Pin Count

圖 3-3：A 公司封測產品的發展軌跡 資料來源：A 公司及本研究整理

從圖 3-4 和圖 3-5 也可看出為了在封測市場繼續維持領先的地位，日月 光和矽品在固定資產投資上的花費也與日俱增。相較於一九九六年，日月光 和矽品的固定資產至二零零五年止皆成長了約六倍。可見不止前段的晶圓製 造需要大筆的資金，後段的封測也必須投入足夠的資本支出，才能符合顧客 對製程技術的要求並且在業界持續成長。一般而言，封裝加上測試的資本支 出大約是晶圓廠的十分之一。(Macher and et al.，2002)

在 2006 年雖然日月光的資本支出相對保守，而專注於機器效率的提升，

然而為了將市佔率由 2006 年的大約 16% 繼續往上提升並擴大中國大陸的營 收，繼續投資將是無可避免的。

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

十億台幣(營收、固定資產)

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

十億台幣(營收、固定資產)

整合元件製造商 N-公司在台設立自家封測廠產品的發展軌跡，基本上和 半導體封裝演進的歷史相仿，從最早期的雙排腳產品，發展至平面四排腳的 QFP 產品，以至現今主流的球陣列封裝產品 BGA，進而發展到系統級封裝等等 的高階封裝技術。

專業封測代工廠 A-公司產品的發展軌跡，也類似 N-公司的發展歷史，

但是值得一提的是，N-公司的自家封測廠花了四十年才達到今天的技術水 準，而 A 公司以不到二十五年的時間就有了今天的成就，其中有很多技術或 製程，遠遠超過 N-公司的自家封測廠。這也代表了整合元件製造商在這方面 的投資趕不上專業封裝廠，同時我們也可了解整合元件製造商可以在專業封 裝廠找到所有需要的製造能力。所以有愈來愈多的整合元件製造商選擇出售 封測產能或加強和專業封測代工廠的合作關係。

2. 保護自行開發的智慧財產權

當時專業代工廠不多，只有大型整合元件製造商才有多餘的產能接受委 外加工，如果自己沒有生產工廠則必須把產品交給商場上的競爭對手來生 產，難保自己苦心開發出來的智慧財產在製造的過程中被竊取。有一個例子 可以說明有自己工廠的好處，在 1990 年代早期，塞瑞斯半導體(Cyrix Semiconductor)因為沒有自的晶圓廠，而且當時的專業晶圓代工廠的技術也 不夠成熟，塞瑞斯半導體只能委由國際商業機器微電子(IBM

Microelectronics)代工晶圓生產，但是 IBM 要求塞瑞斯半導體同意每生產一 個晶體，IBM 有權要求留下一個同功能的晶體用在自己生產的個人電腦上，

而不需支付任何授權費用，IBM 藉此獲得極大的利益。(Dhayagude and et al.，2001)

所以當台積電以專業晶圓代工廠的身分在半導體產業出現且技術層次日 漸成熟時，也直接協助了無晶圓公司的成長。專業晶圓代工廠的晶圓代工產

求產能，縱使無晶圓公司在設計技術上多優秀、產品功能多傑出，都無法透 過製造出商品化產品獲利。

3. 交期的掌握

如上所言，當時可接受委外加工的廠商也就是整合元件製造商，可以了 解的是這些整合元件製造商只有在產能有剩餘的情況下，才有可能接受委外 加工，使得沒有自家工廠的公司在交期的掌握度不如整合元製造商，不能掌 握交期也就代表無法掌握商機，對公司的經營有很大負面的影響。

4. 設計工具的需求

當時的研發成本很高，因為沒有適當的設計工具可以使用，所以需要相 對比較多的設計工程師，只有大型公司足以負荷。以前積體電路都是在大公 司內自行開發，藉由大量設計工程師人工設計、做線路配置，也在內部從事 電子設計自動化(EDA, Electronic Design Automation) 。直到 1981 年，電 子設計自動化的商業公司成立，明導國際(Mentor Graphic)成立於 1981 年，

新思科技(Synopsys)成立於 1986 年和益華國際(Cadence Design System)成 立於 1986 年，專門提供設計用的軟體和工具，再加上電腦運算速度的加快，

自此以後，小型的設計公司才得以成立及生存。

資訊科技和電子設計自動化工具的發展在當時並無法輕易的在不同公司 間順利的轉換。電子設計自動化產業之後的發展也為資料的轉換開了一個大 門，所以有人就把 1981 年當作是電子設計自動化產業元年。

二、市場結構的改變

基本上來說，從 1980 年至 1990 年代整個半導體市場有了比較大的轉變，

而且半導體元件的運用範圍也增加了；在 1989 年，70%的記憶體和微元件皆 運用在個人電腦上， 1990 年代以後，在通訊和多媒體市場的運用開始成長，

給了利基型的半導體製造商新的成長機會。(Dhayagude and et al.，2001) 而且專業製造商陸陸續續的成立，如專業晶圓代工廠以及專業封測代工 廠，加上無晶圓公司如雨後春筍般的設立，整個半導體產業就由整合元件製 造商、無晶圓公司和專業製造商來帶動整個產業的蓬勃發展。在整個產業的 發展過程中，以下的因素發揮了推波助瀾的效用：

1. 電子設計自動化軟體的發展以及商業公司的陸續成立使得新產品的設計 成本降低

2. 即使是大型公司慢慢也無法負荷愈來愈高的資本支出

3. 愈來愈多的專業製造商在市場上出現，充分發揮了經濟規模的優勢 4. 新產品加快腳步地推陳出新，增加半導體廠商的經營風險，同時也給一些

規模不大，生產利基型半導體產品的公司提供生存的契機，在當時整合元 件製造商對這些利基型產品並沒有投入太多的注意力。

這樣的轉變也如同經歷了中介型產業的演變。中介型演變是一種結構性 的轉型，產業的核心資產雖然沒有受到威脅，但是產業的核心活動卻受到汰 舊威脅，這種轉變經常發生在資訊流程的轉變，促成更有效率的交易新方式

這樣的轉變也如同經歷了中介型產業的演變。中介型演變是一種結構性 的轉型，產業的核心資產雖然沒有受到威脅，但是產業的核心活動卻受到汰 舊威脅，這種轉變經常發生在資訊流程的轉變，促成更有效率的交易新方式