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芯片技術包含哪些,制造一顆芯片到底有多難

作者:admin來源:世紀電源網 日期:2018-7-18 15:50:00 人氣: 標簽:

  很多國內企業都在積極研制芯片,如早期的華為、中興微,現在的百度、寒武紀等。相關數據統計,2001-2016年間,我國集成電路市場規模由1260億元增加至約12000億元,占全球市場份額的將近60%,產業銷售額擴大超過23倍,由188億元擴大至4336億元。

  芯片技術到底包含哪些?制造芯片有多難?本文幫你一一講述。

  什么是芯片?

  芯片,又稱微電路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成電路(英語:integrated circuit, IC)。是指內含集成電路的硅片,體積很小,常常是計算機或其他電子設備的一部分。

  芯片一般是指集成電路的載體,也是集成電路經過設計、制造、封裝、測試后的結果,通常是一個可以立即使用的獨立的整體。芯片和集成電路這兩個詞經?;熘褂?,比如在大家平常討論話題中,集成電路設計和芯片設計說的是一個意思,芯片行業、集成電路行業、IC行業往往也是一個意思。實際上,這兩個詞有聯系,也有區別。

  集成電路實體往往要以芯片的形式存在,因為狹義的集成電路,是強調電路本身,比如簡單到只有五個元件連接在一起形成的相移振蕩器,當它還在圖紙上呈現的時候,我們也可以叫它集成電路,當我們要拿這個小集成電路來應用的時候,那它必須以獨立的一塊實物,或者嵌入到更大的集成電路中,依托芯片來發揮他的作用;集成電路更著重電路的設計和布局布線,芯片更強調電路的集成、生產和封裝。而廣義的集成電路,當涉及到行業(區別于其他行業)時,也可以包含芯片相關的各種含義。

  芯片與集成電路的聯系與區別

  芯片也有它獨特的地方,廣義上,只要是使用微細加工手段制造出來的半導體片子,都可以叫做芯片,里面并不一定有電路。比如半導體光源芯片;比如機械芯片,如MEMS陀螺儀;或者生物芯片如DNA芯片。在通訊與信息技術中,當把范圍局限到硅集成電路時,芯片和集成電路的交集就是在硅晶片上的電路上。芯片組,則是一系列相互關聯的芯片組合,它們相互依賴,組合在一起能發揮更大的作用,比如計算機里面的處理器和南北橋芯片組,手機里面的射頻、基帶和電源管理芯片組。

  現在,市面上的芯片大多數指的是內含集成電路的硅片,體積很小,常常是計算機或其他電子設備的一部分。而芯片組,是一系列相互關聯的芯片組合。它們相互依賴,組合在一起能發揮更多作用,比如,計算機里的中央處理器(CPU)及手機中的射頻、基帶和通信基站里的模數轉換器(ADC)等,就是由多個芯片組合在一起的更大的集成電路。

  由于芯片是精密度要求非常高儀器,度量單位是以納米來計算的,對制作工藝要求非常嚴格。雖然我國在近幾年在科技領域還是取得不菲的成績,但是在一些核心的、關鍵領域一直都還處于比較弱勢的階段。比如中國在存儲器、CPU、FPG及高端的模擬芯片、功率芯片等領域,幾乎是沒有的。如果中國發力研發,在某些小的門類中可能會有所突破。

  制造一顆芯片到底有多難?

  制作一顆芯片的生產線是非常復雜的,大約會涉及到五十個行業、2000-5000個工序。就拿代工廠來說,需要先將砂子提純成硅,再切成晶元,然后加工晶元。晶元加工廠包含前后兩道工藝,前道工藝分幾大模塊光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入;后道工藝主要是封裝互聯、打線、密封。其中,光刻是制造和設計的紐帶。

  其中許多工藝都在獨立的工廠進行,而使用的設備也需要專門的設備廠制造;使用的材料包括幾百種特種氣體、液體、靶材,都需要專門的化工工業。另外,集成電路的生產都是在超凈間進行的,因此還需要排風和空氣凈化等系統。

  芯片研制的流程

  芯片制作完整過程包括芯片設計、晶片制作、封裝制作、測試等幾個環節,其中晶片制作過程尤為的復雜。首先是芯片設計,根據設計的需求,生成的圖樣。然后還得經過以下工藝方可將芯片制造出來。

  1、 芯片的原料晶圓

  晶圓的成分是硅,硅是由石英沙所精練出來的,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接著是將這些純硅制成硅晶棒,成為制造集成電路的石英半導體的材料,將其切片就是芯片制作具體所需要的晶圓。晶圓越薄,生產的成本越低,但對工藝就要求的越高。

  2、晶圓涂膜

  晶圓涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力,其材料為光阻的一種。

  3、晶圓光刻顯影、蝕刻

  該過程使用了對紫外光敏感的化學物質,即遇紫外光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑,使得其遇紫外光就會溶解。這時可以用上第一份遮光物,使得紫外光直射的部分被溶解,這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了,而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。

  4、摻加雜質

  將晶圓中植入離子,生成相應的P、N類半導體。

  具體工藝是是從硅片上暴露的區域開始,放入化學離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區的導電方式,使每個晶體管可以通、斷、或攜帶數據。簡單的芯片可以只用一層,但復雜的芯片通常有很多層,這時候將這一流程不斷的重復,不同層可通過開啟窗口聯接起來。這一點類似多層PCB板的制作原理。 更為復雜的芯片可能需要多個二氧化硅層,這時候通過重復光刻以及上面流程來實現,形成一個立體的結構。

  5、晶圓測試

  經過上面的幾道工藝之后,晶圓上就形成了一個個格狀的晶粒。通過針測的方式對每個晶粒進行電氣特性檢測。一般每個芯片的擁有的晶粒數量是龐大的,組織一次針測試模式是非常復雜的過程,這要求了在生產的時候盡量是同等芯片規格構造的型號的大批量的生產。數量越大相對成本就會越低,這也是為什么主流芯片器件造價低的一個因素。

  6、封裝

  將制造完成晶圓固定,綁定引腳,按照需求去制作成各種不同的封裝形式,這就是同種芯片內核可以有不同的封裝形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN等等。這里主要是由用戶的應用習慣、應用環境、市場形式等外圍因素來決定的。

  7、測試、包裝

  經過上述工藝流程以后,芯片制作就已經全部完成了,這一步驟是將芯片進行測試、剔除不良品,以及包裝。

  綜述:盡管我國的芯片技術與歐美等頂尖技術還有差距,這個必須清醒認識到,目前而言,我國的芯片產業發展迅速,與國家的重視密不可分。但是由于芯片是屬于產業鏈上端的,缺頂層人才和技術積累,這個方面還需要繼續努力,尤其是頂尖芯片研發人員,培養的同時不斷完善薪資體制,讓更多優秀人才在中國實現芯片夢。

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