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规格制定的第一步便是确定IC的目的、效能为何,对大方向做设定。
接着是察看有哪些协定要符合,像无线网卡的芯片就需要符合IEEE802.11等规范,不然,这芯片将无法和市面上的产品相容,使它无法和其他设备连线。
最后则是确立这颗IC的实作方法,将不同功能分配成不同的单元,并确立不同单元间连结的方法,如此便完成规格的制定。
设计完规格后,接着就是设计芯片的细节了。
这个步骤就像初步记下建筑的规画,将整体轮廓描绘出来,方便后续制图。
在IC芯片中,便是使用硬体描述语言(HDL)将电路描写出来。
常使用的HDL有Verilog、VHDL等,藉由程式码便可轻易地将一颗IC地功能表达出来。
接着就是检查程式功能的正确性并持续修改,直到它满足期望的功能为止。
▲32bits加法器的Verilog范例
2、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HDLcode,放入电子设计自动化工具(EDAtool),让电脑将HDLcode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。
▲控制单元合成后的结果
最后,将合成完的程式码再放入另一套EDAtool,进行电路布局与绕线(PlaceAndRoute)。
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
3、层层光罩,叠起一颗芯片
首先,目前已经知道一颗IC会产生多张的光罩,这些光罩有上下层的分别,每层有各自的任务。
下图为简单的光罩例子,以积体电路中最基本的元件CMOS为范例,CMOS全名为互补式金属氧化物半导体(Complementarymetal–oxide–semiconductor),也就是将NMOS和PMOS两者做结合,形成CMOS。
至于什么是金属氧化物半导体(MOS)?
这种在芯片中广泛使用的元件比较难说明,一般读者也较难弄清,在这里就不多加细究。
下图中,左边就是经过电路布局与绕线后形成的电路图,在前面已经知道每种颜色便代表一张光罩。
右边则是将每张光罩摊开的样子。
制作是,便由底层开始,依循上一篇IC芯片的制造中所提的方法,逐层制作,最后便会产生期望的芯片了。
至此,对于IC设计应该有初步的了解,整体看来就很清楚IC设计是一门非常复杂的专业,也多亏了电脑辅助软体的成熟,让IC设计得以加速。
IC设计厂十分依赖工程师的智慧,这里所述的每个步骤都有其专门的知识,皆可独立成多门专业的课程,像是撰写硬体描述语言就不单纯的只需要熟悉程式语言,还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需的演算法转换成程式、合成软体是如何将程式转换成逻辑闸等问题。
4、主要半导体设计公司有:
英特尔、高通、博通、英伟达、美满、赛灵思、Altera、联发科、海思、展讯、中兴微电子、华大半导体、大唐半导体、士兰微、中星微电子等。
二、什么是晶圆?
在半导体的新闻中,总是会提到以尺寸标示的晶圆厂,如8寸或是12寸晶圆厂,然而,所谓的晶圆到底是什么东西?
其中8寸指的是什么部分?
要产出大尺寸的晶圆制造又有什么难度呢?
以下将逐步介绍半导体最重要的基础——「晶圆」到底是什么。
晶圆(wafer),是制造各式电脑芯片的基础。
我们可以将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子,藉由一层又一层的堆叠,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。
然而,如果没有良好的地基,盖出来的房子就会歪来歪去,不合自己所意,为了做出完美的房子,便需要一个平稳的基板。
对芯片制造来说,这个基板就是接下来将描述的晶圆。
首先,先回想一下小时候在玩乐高积木时,积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物,藉由这个构造,我们可将两块积木稳固的叠在一起,且不需使用胶水。
芯片制造,也是以类似这样的方式,将后续添加的原子和基板固定在一起。
因此,我们需要寻找表面整齐的基板,以满足后续制造所需的条件。
在固体材料中,有一种特殊的晶体结构──单晶(Monocrystalline)。
它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性,可以形成一个平整的原子表层。
因此,采用单晶做成晶圆,便可以满足以上的需求。
然而,该如何产生这样的材料呢,主要有二个步骤,分别为纯化以及拉晶,之后便能完成这样的材料。
1、如何制造单晶的晶圆
纯化分成两个阶段,第一步是冶金级纯化,此一过程主要是加入碳,以氧化还原的方式,将氧化硅转换成98%以上纯度的硅。
大部份的金属提炼,像是铁或铜等金属,皆是采用这样的方式获得足够纯度的金属。
但是,98%对于芯片制造来说依旧不够,仍需要进一步提升。
因此,将再进一步采用西门子制程(Siemensprocess)作纯化,如此,将获得半导体制程所需的高纯度多晶硅。
▲硅柱制造流程
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。
▲单晶硅柱
然而,8寸、12寸又代表什么东西呢?
他指的是我们产生的晶柱,长得像铅笔笔杆的部分,表面经过处理并切成薄圆片后的直径。
至于制造大尺寸晶圆又有什么难度呢?
如前面所说,晶柱的制作过程就像是在做棉花糖一样,一边旋转一边成型。
有制作过棉花糖的话,应该都知道要做出大而且扎实的棉花糖是相当困难的,而拉晶的过程也是一样,旋转拉起的速度以及温度的控制都会影响到晶柱的品质。
也因此,尺寸愈大时,拉晶对速度与温度的要求就更高,因此要做出高品质12寸晶圆的难度就比8寸晶圆还来得高。
只是,一整条的硅柱并无法做成芯片制造的基板,为了产生一片一片的硅晶圆,接着需要以钻石刀将硅晶柱横向切成圆片,圆片再经由抛光便可形成芯片制造所需的硅晶圆。
经过这么多步骤,芯片基板的制造便大功告成,下一步便是堆叠房子的步骤,也就是芯片制造。
至于该如何制作芯片呢?
2、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?
接下来将就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(IntegratedCircuit),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梁和柱,一层一层堆叠,这也就是为何会将IC制造比拟成盖房子。
▲IC芯片的3D剖面图
从上图中IC芯片的3D剖面图来看,底部深蓝色的部分就是上一篇介绍的晶圆,从这张图可以更明确的知道,晶圆基板在芯片中扮演的角色是何等重要。
至于红色以及土黄色的部分,则是于IC制作时要完成的地方。
首先,在这里可以将红色的部分比拟成高楼中的一楼大厅。
一楼大厅,是一栋房子的门户,出入都由这里,在掌握交通下通常会有较多的机能性。
因此,和其他楼层相比,在兴建时会比较复杂,需要较多的步骤。
在IC电路中,这个大厅就是逻辑闸层,它是整颗IC中最重要的部分,藉由将多种逻辑闸组合在一起,完成功能齐全的IC芯片。
黄色的部分,则像是一般的楼层。
和一楼相比,不会有太复杂的构造,而且每层楼在兴建时也不会有太多变化。
这一层的目的,是将红色部分的逻辑闸相连在一起。
之所以需要这么多层,是因为有太多线路要连结在一起,在单层无法容纳所有的线路下,就要多叠几层来达成这个目标了。
在这之中,不同层的线路会上下相连以满足接线的需求。
3、分层施工,逐曾架构
知道IC的构造后,接下来要介绍该如何制作。
试想一下,如果要以油漆喷罐做精细作图时,我们需先割出图形的遮盖板,盖在纸上。
接着再将油漆均匀地喷在纸上,待油漆乾后,再将遮板拿开。
不断的重复这个步骤后,便可完成整齐且复杂的图形。
制造IC就是以类似的方式,藉由遮盖的方式一层一层的堆叠起来。
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。
▲各种尺寸晶圆的比较
主要晶圆代工厂有:
中芯国际、三星、SK海力士、华润微电子、华虹宏力、英特尔、台积电(台湾)、华力微电子、西安微电子、和舰科技、联电(台湾)、力晶(台湾)、武汉新芯、士兰微、先进半导体等。
三、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。
1、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)。
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)
2、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。
四、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,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(PinGridArray;
PinGridArray)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:
1、传统封装,历久不衰
首先要介绍的是双排直立式封装(DualInlinePackage;
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)
至于球格阵列(BallGridArray,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
2、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(SystemOnChip)以及SiP(SystemInPacket)。
在智慧型手机刚兴起时,在各大财经杂志上皆可发现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(intellectualproperty)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。
3、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。
▲AppleWatch采用SiP技术将整个电脑架构封装成一颗芯片,不单满足期望的效能还缩小体积,让手表有更多的空间放电池
采用SiP技术的产品,最着名的非AppleWatch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AppleWatch芯片的结构图,可以看到相当多的IC包含在其中。
▲AppleWatch中采用SiP封装的S1芯片内部配置图
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。
4、主要的半导体封测厂有:
安靠、长电科技、通富微电、日月光、力成、南茂、颀邦、矽品、海太半导体等。
猎芯网是由深圳市猎芯科技有限公司开发运营的电子元器件B2B交易服务平台。
于2015年7月上线,总部位于深圳,在北京、香港设有分公司,拥有专业的行业和互联网人才团队,迄今已获得多轮风险投资。
猎芯网可以为用户提供涵盖购买、报关、仓储、金融等整个交易环节的全闭环服务;
提供免费开放平台,客户可进行自由交易。
此外,猎芯网还提供联营、专卖、寄售、供应链金融等服务,极大的提升了效率,降低了交易成本。