在上一篇《半导体到底是什么呢?》中,我们介绍了应用最广泛的半导体单晶硅的生产流程,在本文中我们将详细介绍单晶硅是经过哪些流程才能成为芯片。
将单晶硅切片打磨形成晶圆,在晶圆上,采用一定的工艺将电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线刻画在晶圆上,就形成了集成电路(integrated circuit,IC),通过对集成电路封装测试便形成了芯片。
图1:芯片的生产流程
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一、IC设计
半导体行业发展到现阶段,已经形成了IC设计和IC制造分离的模式,主要原因是建设IC制造厂需要花费高达数亿甚至数十亿美元的巨额投资,并且生产工艺日趋复杂,所以当前半导体行业便形成了IC设计和IC制造的专业化分工模式。
从事IC设计的公司一般被称为“Fabless”(Fabrication(制造)和less(无、没有)的组合),其只负责设计与销售,不负责制造,手机厂商中的华为、苹果、小米以及高通和联发科,都属于Fabless。
图2:大家熟知的Fabless
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图3:EDA中显示的集成电路图
图片来源:半导体行业观察IC制造的过程就如同盖房子一样,Fabless负责房子的设计部分。
IC设计可分成几个步骤,依序为:规格制定→逻辑设计→电路布局→布局后模拟→光罩制作。
规格制定
需求端与IC设计工程师对接,并开出需要的IC的规格,以确定IC的功能、IC封装及管脚定义等,而后IC设计工程师开始设计。
逻辑设计
通过EDA软件的帮助,工程师完成逻辑设计图。
电路布局
将逻辑设计图转化为电路图。
布局后模拟
经由软件测试,试验电路是否符合要求。
光罩制作
电路图完成测试后,将电路制作成一片片光罩,完成后的光罩送往IC制造公司。
二、IC制造
IC的线路布局由Fabless设计好之后,就交由Foundry来对晶圆进行加工,将光罩上的电路加工到晶圆上。
我们常说的台积电就是最为典型的Foundry,他们专注芯片制造,发展相关的工艺和制程,Foundry厂商其实就是Fabless厂商的代工方,俗称“代工厂”。
图4:未经Foundry加工的晶圆
图片来源:百度百科图5:经Foundry加工后的晶圆
图片来源:半导体行业观察图6:IC的3D剖面图
图片来源:维基百科加工晶圆时,可以简单分成几个步骤,依序为:金属溅镀→涂布光阻→蚀刻技术→光阻去除。虽然在实际制造时,制造步骤会复杂的多,使用的材料也有所不同,但是大体上皆采用类似的原理。
金属溅镀
将金属材料均匀洒在晶圆片上,形成薄膜。
涂布光阻
先将光阻材料放在晶圆片上,透过光罩将光束打在不要的部分上,破坏光阻材料结构,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
使用去光阻液将剩下的光阻溶解掉,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,接下来只要将完成的方形IC剪下,便可送到封装厂做封装测试。
三、封装测试
经过漫长的流程,从设计到制造,终于获得一颗IC。然而现在的IC相当小且薄,如果不施加保护,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,将不易于安置在电路板上。因此需要对IC进行封装。
目前常见的封装方式有两种,一种是电动玩具内常见的,黑色长得像蜈蚣的DIP封装,另一种为购买盒装CPU时常见的 BGA封装。
图7:DIP封装
图片来源:维基百科图8:BGA封装
图片来源:维基百科完成封装后,便要进入测试的阶段,在这个阶段便要确认封装完成的芯片是否能正常的工作,正确无误之后便可出货给组装厂,做成电子产品。至此,芯片便完成了整个生产的任务。