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为啥芯片那么难搞?终于有人讲透了!

2018年04月19日

作者:吳政道

你知道一个芯片是怎样设计出来的么?你又知道设计出来的芯片是怎么生产出来的么?看完这篇文章你就有大概的了解。

一、复杂繁琐的芯片设计流程

芯片制造的过程就如同?#32654;?#39640;盖房子一样,先?#33455;?#22278;作为地基,再层层往上叠的芯片制造流程后,就可产出必要的 IC 芯片(这些会在后面介绍)。然而,没有设计图,拥有再强制造能力都没有用,因此,建筑师的角色相当重要。但是 IC 设计中的建筑师究竟是谁呢?本文接下来要针对 IC 设计做介绍。

在 IC 生产流程中,IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计,像是联发科、高通、Intel 等知名大厂,都自行设计各自的 IC 芯片,提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计,所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术,工程师的素质影响着一间企业的价值。然而,工程师们在设计一颗 IC 芯片时,究竟有那些步骤?设计流程可以简单分?#25159;?#19979;。

设计第一步,订定目标

在 IC 设计中,最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前,先决定要几间房间、浴室,有什么建筑法规需要遵守,在确定好所有的功能之后在进行设计,这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤,才能?#32321;?#35774;计出来的芯片不会有任何差错。

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 IEEE 802.11 等规範,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?#22278;⒊中?#20462;改,直到它满足期望的功能为止。

▲ 32 bits 加法器的 Verilog 范例

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。

▲ 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 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?#25159;?#19979;的电路图。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色,每种不同?#38590;?#33394;就代表着一张光罩。至于光罩究竟要如何运用呢?

▲ 常用?#38590;?#31639;芯片- FFT 芯片,完成电路布局与绕线的结果

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 为範例,CMOS 全名为互补式金属氧化物半导体(Complementary metal–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?#24471;鰨?#19968;般读者?#27493;?#38590;弄清,在这裡就不多加细究。

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?#38590;?#23376;。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,这裡所述的每个步骤都有其专门的知识,皆?#21861;?#31435;?#21861;?#38376;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?#25509;?#35328;,还需要了解逻辑电路是如何运作、如何将所需?#38590;?#31639;法转换成程式、合?#25159;?#20307;是如何将程式转换成逻辑闸等问题。

其中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、大唐、智芯、敦泰、士兰、中星、格科等。

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?#31185;?#20013; 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?#32654;?#39640;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。

(Souse:Flickr/Jonathan Stewart CC BY 2.0)

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?#24378;山?#20004;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,?#26376;?#36275;后续制造所需的条件。

在固体材料中,有一种特殊的晶体结?#20379;ぉ?#21333;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?#26376;?#36275;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。

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?#35762;?#29992;西门子制程(Siemens ?process)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(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?#33455;?#21644;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?#38395;?#38431;。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(Souse:Wikipedia)

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?#26102;?#26751;的部分,表面经过处理并切成薄圆片后的?#26412;丁?#33267;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?#20197;?#23454;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?#20998;省?#20063;因此,尺寸愈大时,拉晶对速度与温度的要求?#36879;?#39640;,因此要做出高?#20998;??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?

三、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?#32654;?#39640;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,?IC 究有哪些步骤?本文将将就 IC 芯片制造的流程做介绍。

在开始前,我们要?#28909;?#35782; 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?#20301;?#23558; IC 制造比拟成盖房子。

▲ IC 芯片的 3D 剖面图。(Source:Wikipedia)

从上图中 IC 芯片的 3D ?剖面图来看,底?#21487;?#34013;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,在这裡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,出入都由这裡,在掌握交通下通常会有较多的机能?#28020;?#22240;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?#23665;?#22810;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?#26376;?#36275;接线的需求。

分层施工,逐层架构

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?#26434;?#28422;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?#22278;捎美?#20284;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?#26085;?#30422;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?#28909;?#22312;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?#24471;鰨?#23558;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?#40644;?#22351;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?#24471;?#21872;。

▲ 各种尺寸晶圆的比较。(Source:Wikipedia)

其中,主要晶圆代工厂有格罗方德、三星电子、Tower Jazz、Dongbu、美格纳、IBM、富士通、英特尔、海力士、台积电、联电、中芯国际、力晶、华虹、德茂、武汉新芯、华微、华立、力芯。

四、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?#36182;?#20808;机以争取订单,几乎成了 14 纳?#23376;?16 纳米之争,然而 14 纳?#23376;?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?#20040;?#19982;难题?以下我们将就纳米制程做简单的?#24471;鰲?/p>

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?#33455;酢?#22914;果以指甲厚度做比较的话,或许会比较明?#28020;?/p>

用尺规实?#20160;?#37327;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,?#21051;?#32447;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?#21097;?#20877;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?#26434;?#26356;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:http://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。

(Source:http://www.slideshare.net)

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?#37027;?#20917;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?#27605;藎?#20687;是在制作过程中有原子掉出或是有?#21448;剩?#23601;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?#24120;?#20197;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?#27493;?#33719;得更加省电、轻薄的手机,要?#34892;?#25705;尔定律所带来的?#20040;?#21602;。

五、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?#35762;捎么?#23553;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?#22303;?#30340;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?#20013;?#39640;速芯片的要求。因此,使?#20040;?#23553;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?#25317;?#37329;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?#30830;?#35013;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,?#25159;?#32435;更多的金属接脚

相当适合需要较多?#25317;?#30340;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?#20284;穡?#26032;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?#20284;?#26102;,在各大财经杂誌上皆可发现 SoC 这个名?#21097;?#28982;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?#25442;ジ扇諾那?#24418;。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?#32431;觶?#20687;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?#36879;??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?#25159;?#31243;度大幅下降。

▲ Apple Watch 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,让手錶有更多的空间放电池。(Source:Apple 官网)

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?#20040;?#32479;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?#39063;?#32622;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。其中主要的半导体封装与测试企业有?#37096;俊⑿强平?#26379;、J-devices、Unisem、Nepes、日月光、力成、南茂、颀邦、京元电子、福懋、菱生精密、矽品、长电、优特。

至此,半导体产?#24403;?#23436;成了整个生产的任务。

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