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来源:半导体圈子发布时间:2021-11-09214浏览
询问 AI导读：芯片由集成电路经过设计、制造、封装等一系列操作后形成，一般来说，集成电路更着重电路的设计和布局布线，而芯片更看重电路的集成、生产和封装这三大环节。但在日常生活中，“集成电路”和“芯片”两者常被当作同一概念使用。
复杂繁琐的芯片设计流程
设计第一步，订定目标
有了电脑，事情都变得容易
有了完整规画后，接下来便是画出平面的设计蓝图。在 IC 设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定无误的 HDL code，放入电子设计自动化工具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路，产生如下的电路图。之后，反覆的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为止。
最后，将合成完的程式码再放入另一套 EDA tool，进行电路布局与绕线（Place And Route）。在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢？
▲ 常用的演算芯片- FFT 芯片，完成电路布局与绕线的结果。
什么是晶圆？
（Souse：Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0）
▲ 硅柱制造流程（Source：Wikipedia）
接着，就是拉晶的步骤。首先，将前面所获得的高纯度多晶硅融化，形成液态的硅。之后，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了。
层层堆叠打造的芯片
在介绍过硅晶圆是什么东西后，同时，也知道制造 IC 芯片就像是用乐高积木盖房子一样，藉由一层又一层的堆叠，创造自己所期望的造型。然而，盖房子有相当多的步骤，IC 制造也是一样，制造 IC 究竟有哪些步骤？本文将将就 IC 芯片制造的流程做介绍。
在开始前，我们要先认识 IC 芯片是什么。IC，全名积体电路（Integrated Circuit），由它的命名可知它是将设计好的电路，以堆叠的方式组合起来。藉由这个方法，我们可以减少连接电路时所需耗费的面积。下图为 IC 电路的 3D 图，从图中可以看出它的结构就像房子的樑和柱，一层一层堆叠，这也就是为何会将 IC 制造比拟成盖房子。
制作 IC 时，可以简单分成以上 4 种步骤。虽然实际制造时，制造的步骤会有差异，使用的材料也有所不同，但是大体上皆采用类似的原理。这个流程和油漆作画有些许不同，IC 制造是先涂料再加做遮盖，油漆作画则是先遮盖再作画。以下将介绍各流程。
金属溅镀：将欲使用的金属材料均匀洒在晶圆片上，形成一薄膜。
涂布光阻：先将光阻材料放在晶圆片上，透过光罩（光罩原理留待下次说明），将光束打在不要的部分上，破坏光阻材料结构。接着，再以化学药剂将被破坏的材料洗去。
蚀刻技术：将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。
光阻去除：使用去光阻液皆剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。
最后便会在一整片晶圆上完成很多 IC 芯片，接下来只要将完成的方形 IC 芯片剪下，便可送到封装厂做封装，至于封装厂是什么东西？就要待之后再做说明啰。
纳米制程是什么？
三星以及台积电在先进半导体制程打得相当火热，彼此都想要在晶圆代工中抢得先机以争取订单，几乎成了 14 纳米与 16 纳米之争，然而 14 纳米与 16 纳米这两个数字的究竟意义为何，指的又是哪个部位？而在缩小制程后又将来带来什么好处与难题？以下我们将就纳米制程做简单的说明。
纳米到底有多细微？
在开始之前，要先了解纳米究竟是什么意思。在数学上，纳米是 0.000000001 公尺，但这是个相当差的例子，毕竟我们只看得到小数点后有很多个零，却没有实际的感觉。如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显。
用尺规实际测量的话可以得知指甲的厚度约为 0.0001 公尺（0.1 毫米），也就是说试着把一片指甲的侧面切成 10 万条线，每条线就约等同于 1 纳米，由此可略为想像得到 1 纳米是何等的微小了。
知道纳米有多小之后，还要理解缩小制程的用意，缩小电晶体的最主要目的，就是可以在更小的芯片中塞入更多的电晶体，让芯片不会因技术提升而变得更大；其次，可以增加处理器的运算效率；再者，减少体积也可以降低耗电量；最后，芯片体积缩小后，更容易塞入行动装置中，满足未来轻薄化的需求。
再回来探究纳米制程是什么，以 14 纳米为例，其制程是指在芯片中，线最小可以做到 14 纳米的尺寸，下图为传统电晶体的长相，以此作为例子。缩小电晶体的最主要目的就是为了要减少耗电量，然而要缩小哪个部分才能达到这个目的？左下图中的 L 就是我们期望缩小的部分。藉由缩小闸极长度，电流可以用更短的路径从 Drain 端到 Source 端（有兴趣的话可以利用 Google 以 MOSFET 搜寻，会有更详细的解释）。
（Source：www.slideshare.net）
此外，电脑是以 0 和 1 作运算，要如何以电晶体满足这个目的呢？做法就是判断电晶体是否有电流流通。当在 Gate 端（绿色的方块）做电压供给，电流就会从 Drain 端到 Source 端，如果没有供给电压，电流就不会流动，这样就可以表示 1 和 0。（至于为什么要用 0 和 1 作判断，有兴趣的话可以去查布林代数，我们是使用这个方法作成电脑的）
尺寸缩小有其物理限制
不过，制程并不能无限制的缩小，当我们将电晶体缩小到 20 纳米左右时，就会遇到量子物理中的问题，让电晶体有漏电的现象，抵销缩小 L 时获得的效益。作为改善方式，就是导入 FinFET（Tri-Gate）这个概念，如右上图。在 Intel 以前所做的解释中，可以知道藉由导入这个技术，能减少因物理现象所导致的漏电现象。
更重要的是，藉由这个方法可以增加 Gate 端和下层的接触面积。在传统的做法中（左上图），接触面只有一个平面，但是采用 FinFET（Tri-Gate）这个技术后，接触面将变成立体，可以轻易的增加接触面积，这样就可以在保持一样的接触面积下让 Source-Drain 端变得更小，对缩小尺寸有相当大的帮助。
最后，则是为什么会有人说各大厂进入 10 纳米制程将面临相当严峻的挑战，主因是 1 颗原子的大小大约为 0.1 纳米，在 10 纳米的情况下，一条线只有不到 100 颗原子，在制作上相当困难，而且只要有一个原子的缺陷，像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质，就会产生不知名的现象，影响产品的良率。
如果无法想像这个难度，可以做个小实验。在桌上用 100 个小珠子排成一个 10×10 的正方形，并且剪裁一张纸盖在珠子上，接着用小刷子把旁边的的珠子刷掉，最后使他形成一个 10×5 的长方形。这样就可以知道各大厂所面临到的困境，以及达成这个目标究竟是多么艰巨。
随着三星以及台积电在近期将完成 14 纳米、16 纳米 FinFET 的量产，两者都想争夺 Apple 下一代的 iPhone 芯片代工，我们将看到相当精彩的商业竞争，同时也将获得更加省电、轻薄的手机，要感谢摩尔定律所带来的好处呢。
告诉你什么是封装
经过漫长的流程，从设计到制造，终于获得一颗 IC 芯片了。然而一颗芯片相当小且薄，如果不在外施加保护，会被轻易的刮伤损坏。此外，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易以人工安置在电路板上。因此，本文接下来要针对封装加以描述介绍。
目前常见的封装有两种，一种是电动玩具内常见的，黑色长得像蜈蚣的 DIP 封装，另一为购买盒装 CPU 时常见的 BGA 封装。至于其他的封装法，还有早期 CPU 使用的 PGA（Pin Grid Array；Pin Grid Array）或是 DIP 的改良版 QFP（塑料方形扁平封装）等。因为有太多种封装法，以下将对 DIP 以及 BGA 封装做介绍。
传统封装，历久不衰
首先要介绍的是双排直立式封装（Dual Inline Package；DIP），从下图可以看到采用此封装的 IC 芯片在双排接脚下，看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻，此封装法为最早采用的 IC 封装技术，具有成本低廉的优势，适合小型且不需接太多线的芯片。但是，因为大多采用的是塑料，散热效果较差，无法满足现行高速芯片的要求。因此，使用此封装的，大多是历久不衰的芯片，如下图中的 OP741，或是对运作速度没那么要求且芯片较小、接孔较少的 IC 芯片。
▲ 左图的 IC 芯片为 OP741，是常见的电压放大器。右图为它的剖面图，这个封装是以金线将芯片接到金属接脚（Leadframe）。（Source ：左图 Wikipedia、右图 Wikipedia）
至于球格阵列（Ball Grid Array，BGA）封装，和 DIP 相比封装体积较小，可轻易的放入体积较小的装置中。此外，因为接脚位在芯片下方，和 DIP 相比，可容纳更多的金属接脚
相当适合需要较多接点的芯片。然而，采用这种封装法成本较高且连接的方法较复杂，因此大多用在高单价的产品上。
▲ 左图为采用 BGA 封装的芯片。右图为使用覆晶封装的 BGA 示意图。（Source：左图 Wikipedia）
行动装置兴起，新技术跃上舞台
然而，使用以上这些封装法，会耗费掉相当大的体积。像现在的行动装置、穿戴装置等，需要相当多种元件，如果各个元件都独立封装，组合起来将耗费非常大的空间，因此目前有两种方法，可满足缩小体积的要求，分别为 SoC（System On Chip）以及 SiP（System In Packet）。
在智慧型手机刚兴起时，在各大财经杂誌上皆可发现 SoC 这个名词，然而 SoC 究竟是什么东西？简单来说，就是将原本不同功能的 IC，整合在一颗芯片中。藉由这个方法，不单可以缩小体积，还可以缩小不同 IC 间的距离，提升芯片的计算速度。至于制作方法，便是在 IC 设计阶段时，将各个不同的 IC 放在一起，再透过先前介绍的设计流程，制作成一张光罩。
然而，SoC 并非只有优点，要设计一颗 SoC 需要相当多的技术配合。IC 芯片各自封装时，各有封装外部保护，且 IC 与 IC 间的距离较远，比较不会发生交互干扰的情形。但是，当将所有 IC 都包装在一起时，就是噩梦的开始。IC 设计厂要从原先的单纯设计 IC，变成了解并整合各个功能的 IC，增加工程师的工作量。此外，也会遇到很多的状况，像是通讯芯片的高频讯号可能会影响其他功能的 IC 等情形。
此外，SoC 还需要获得其他厂商的 IP（intellectual property）授权，才能将别人设计好的元件放到 SoC 中。因为制作 SoC 需要获得整颗 IC 的设计细节，才能做成完整的光罩，这同时也增加了 SoC 的设计成本。或许会有人质疑何不自己设计一颗就好了呢？因为设计各种 IC 需要大量和该 IC 相关的知识，只有像 Apple 这样多金的企业，才有预算能从各知名企业挖角顶尖工程师，以设计一颗全新的 IC，透过合作授权还是比自行研发划算多了。
折衷方案，SiP 现身
作为替代方案，SiP 跃上整合芯片的舞台。和 SoC 不同，它是购买各家的 IC，在最后一次封装这些 IC，如此便少了 IP 授权这一步，大幅减少设计成本。此外，因为它们是各自独立的 IC，彼此的干扰程度大幅下降。
采用 SiP 技术的产品，最着名的非 Apple Watch 莫属。因为 Watch 的内部空间太小，它无法采用传统的技术，SoC 的设计成本又太高，SiP 成了首要之选。藉由 SiP 技术，不单可缩小体积，还可拉近各个 IC 间的距离，成为可行的折衷方案。下图便是 Apple Watch 芯片的结构图，可以看到相当多的 IC 包含在其中。
▲ Apple Watch 中采用 SiP 封装的 S1 芯片内部配置图。（Source：chipworks）
完成封装后，便要进入测试的阶段，在这个阶段便要确认封装完的 IC 是否有正常的运作，正确无误之后便可出货给组装厂，做成我们所见的电子产品。至此，半导体产业便完成了整个生产的任务。
十大IDM企业：
1、英特尔(Intel)(收购了Altera)
2、三星(Samsung)
3、海力士半导体(SK Hynix)
4、美光(Micron)（收购了尔必达）
5、德州仪器(TI)（收购了国半）
6、恩智浦(NXP)(收购了Freescale(飞思卡尔))
7、东芝(Toshiba)
8、英飞凌(Infineon)(收购了IR)
9、意法半导体(ST)
10、索尼(Sony)
Fabless（纯设计，无晶圆厂）企业很多，如：
高通(Qualcomm)
安华高(Avago)(收购了博通)
联发科(MTK)
英伟达(NVIDIA)
超微(AMD)
深圳市海思
Apple
亚德诺半导体(ADI)(收购Linear)
瑞萨电子(Renesas)
美满科技(Marvell)
赛灵思(Xilinx)
展讯
安森美(ON)(收购了Fairchild、Aptina)
罗姆半导体(ROHM)
联咏(Novatek)
戴乐格半导体(Dialog)
瑞昱(Reltek)
奇景光电(Himax)
凌云半导体（Cirrus Logic）
莱迪思(Lattice)
大唐半导体
中国华大
奕力
敦泰
中兴
瑞芯微(Rockchip)
全志(Allwinner)
珠海炬力(ACTIONS)
格科微
汇顶科技
思比科微
国芯
国民技术
君正
澜起
盈方微
思立微
......等等很多
晶圆代工企业：
1、台积电(TSMC)
2、格罗方德(GlobalFoundries)(合并了IBM的IC业务和新加坡特许CSM)
3、台湾联华电子(UMC)
4、三星(Samsung)
5、中芯国际(SMIC)
6、Powerchip
7、Tower Jazz
8、富士通(Fujitsu)
9、先锋半导体（Vanguard）
10、上海华虹宏力(HHNEC)
11、Dongbu
12、SSMC
13、WIN
14、力晶半导体（PSC）
15、世界先进(VIS)
16、美格纳(MagnaChip)
17、华润上华（CSMC）
18、天津中环（TJSemi）
19、吉林华微
20、上海华力微电子（HLMC）
21、长江存储（武汉新芯、紫光）
22、无锡SK海力士意法半导体
23、英特尔半导体（大连）
24、上海先进（ASMC）
25、和舰科技（苏州）（HJTC）
26、天水天光
27、深圳方正微
28、杭州士兰（Silan）
29、中国南科集团
30、茂德科技ProMOS
......
封测厂：
1、日月光(ASE)（收购硅品科技）
2、安靠(Amkor)（收购J-devices）
3、江苏长电科技（收购星科金朋）
4、力成科技（收购超丰）
5、新加坡联合科技（UTAC）
6、南茂科技
7、颀邦科技
8、天水华天科技
9、南通富士通微电子
10、京元电子
11、Nepes
12、Unisem
13、福懋科技
14、菱生精密
15、深圳硅格
16、苏州晶方
17、无锡华润安盛
8、嘉盛半导体
19、无锡华进半导体
20、苏州固锝
21、苏州日月新
22、深圳佰维存储
23、北京首钢微（BSMC）
24、池州华钛半导体（NationT)
25、颀中科技(苏州)
26、宁波芯健半导体
27、深圳康姆科技
28、江苏新潮科技
29、南通华达微电子
30、飞思卡尔半导体（中国）
31、海太半导体（无锡）
32、英特尔产品(成都)有
33、上海凯虹
34、晟碟半导体(上海)(SanDisk）
35、气派科技
......等等
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